《信号题双路低频信号发生及分析仪》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信号题双路低频信号发生及分析仪（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八届校园电子设计大赛比赛设计题目：双路低频信号发生及分析仪竞赛组员： 娄 欢 120210110 杨 航 120210127 谈加杰 120210118 2014 年 5 月 20 日摘要本文所设计的系统是利用 STM32F407 单片机的 DA 输出产生所需不同信号的低频信号源，即采用 STM32F407 单片机作为控制核心，而在外围采用、运放电路（MCP6002 ） 、按键和 LED 显示灯电路，液晶显示屏等，通过按键可控制产生方波、锯齿波、三角波、正弦波，同时可以调节幅度、频率的加减，并可以在液晶显示屏上显示出来。文中简要介绍了本系统硬件的结构原理和使用方法，单片机 STM32F407
2、的基础理论，以及与电路设计有关的各种芯片，并着重介绍了利用单片机控制DA 转换产生上述信号的硬件电路设计和软件编程。本文所设计的系统设计简单、性能优良、性价比高，可用于多种需要低频信号源的场所，具有一定的实用性。关键词：波形发生 运放 模数转换 数模转换 傅立叶变换1、 总体方案论证 .- 4 -2 .系统硬件方案设计 .- 4 -1.1 主控芯片的的论证与选择 .- 4 -1.2 电路的论证与选择 .- 5 -1.2.1、电源输入 .- 5 -1.2.2、系统电源部分设计 .- 5 -1.2.3、信号输出电路 .- 6 -1.2.4、信号叠加电路 .- 6 -1.2.5、信号采集电路 .-
3、7 -3 .系统软件方案设计 .- 7 -3.1、程序流程图 .- 7 -4、理论分析与计算 .- 8 -5、 测试方案与测试结果 .- 10 -附：一、系统硬件原理图 .- 12 -二、 核心代码 .- 14 -三、参考文献 - 14 -1、 总体方案论证方案一：采用分立元件实现非稳态的多谐振振荡器，然后根据需要加入积分电路等构成正弦、矩形、三角等波形发生器。这种信号发生器输出频率范围窄，而且电路参数设定较繁琐，其频率大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现，操作不方便。方案二：单片机和数模转换器生成波形，由于是软件滤波，所以不会有寄生的高次谐波分量，生成的波形比较纯净。它的特点是价格低、
4、性能比高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。方案三：采用 STM32F407 单片机，直接使用它的 DA 输出波形，然后通过一些模拟电路使其输出相应波形，再通过单片机的 AD 转换采集波形，再进行频谱分析。综合以上三种方案。由于方案三简单，方便，可行。我们采用了方案三。2 .系统硬件方案设计 本系统主要由主控模块、运放模块、显示模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 、1.1 主控芯片的的论证与选择综合各方面因素考虑，我们采用 STM32f407 为主控芯片，STM32f407 具有以下几个特点：处理器：STM32F407VGT6，ARM 32-bit Cortex-M4 co
5、re，最高运行频率为 168MHz内部集成 1 MB Flash memory，192+4 KB SRAM优点：- 由于采用了 ST 的 ART 加速器，程序从 FLASH 运行相当于 0 等待更多的存储器- USB OTG 高速 480Mbit/s- IEEE1588， 以太网 MAC 10/100- PWM 高速定时器：168MHz 最大频率- 加密/哈希硬件处理器：32 位随机数发生器（RNG）- 带有日历功能的 32 位 RTC：1 A 的实时时钟，1 秒精度更多的提升- 低电压：1.8V 到 3.6V VDD，在某些封装上，可降低至 1.7V- 全双工 I2S1.2 电路的论证与选择
6、1.2.1、电源输入我们采用 7.2V 电池供电，以下电路图为电源输入部分，肖特基二极管可以有效的防止反接，其余电容起到滤波作用。1.2.2、系统电源部分设计本套系统电源由 5V、3.3V 两个电压构成，分别用于主控芯片、运放和其他外围电路的供电。5V 稳压模块采用的是 LM1085，LM1085 是一个低压差正向电压系列，是 3A 电流的负载与 1.5V 的最大压差的稳压器。与国家半导体公司的行业标准的 LM317 具有相同的引脚。我们电路图如图所示3.3V 稳压我们采用的是 LM1117-3.3，原理图如图所示：1.2.3、信号输出电路由于单片机 DA 输出较弱，容易受到外界环境的干扰，我
7、们尝试采用了很多解决办法，最终确定将两路 DA 输出经过两路电压跟随器后再输出，电路图如下：1.2.4、信号叠加电路我们使用模电刚刚学过的模拟加法电路，用美信公司的 MCP6002 两路运算放大器，由于两路信号叠加后电压大于 3.3V、单片机 AD 采样能力有限不能够进行大于 3V 电压的采样，我们通过计算使电压输出为 0.5 倍的两路信号相加。原理图如下：为了确保输出波形不失真，经过模拟加法器后我们又经过了一个电压跟随器电路。1.2.5、信号采集电路我们采用单片机直接进行 AD 采样，但是又担心负载电流过大，会击穿单片机。我们采用了一个简单的钳位电路进行保护3 .系统软件方案设计3.1、程序
8、流程图4、理论分析与计算FFT 是离散傅立叶变换的快速算法，可以将一个信号变换到频域。有些信号在时域上是很难看出什么特征的，但是如果变换到频域之后，就很容易看出特征了。这就是很多信号分析采用 FFT 变换的原因。另外，FFT 可以将一个信号的频谱 虽然很多人都知道 FFT是什么，可以用来做什么，怎么去做，但是却不知道 FFT 之后的结果是什意思、如何决定要使用多少点来做 FFT。现在圈圈就根据实际经验来说说 FFT 结果的具体物理意义。一个模拟信号，经过 ADC采样之后，就变成了数字信号。采样定理告诉我们，采样频率要大于信号频率的两倍，这些我就不在此罗嗦了。 采样得到的数字信号，就可以做 FF
9、T 变换了。N 个采样点，经过 FFT 之后，就可以得到 N 个点的 FFT 结果。为了方便进行 FFT 运算，通常 N 取 2 的整数次方。假设采样频率为 Fs，信号频率 F，采样点数为 N。那么 FFT 之后结果就是一个为 N 点的复数。每一个点就对应着一个频率点。这个点的模值，就是该频率值下的幅度特性。具体跟原始信号的幅度有什么关系呢？假设原始信号的峰值为 A，那么 FFT 的结果的每个点（除了第一个点直流分量之外）的模值就是 A 的 N/2 倍。而第一个点就是直流分量，它的模值就是直流分量的 N 倍。而每个点的相位呢，就是在该频率下的信号的相位。第一个点表示直流分量（即 0Hz） ，而
10、最后一个点 N 的再下一个点（实际上这个点是不存在的，这里是假设的第 N+1 个点，也可以看做是将第一个点分做两半分，另一半移到最后）则表示采样频率 Fs，这中间被 N-1 个点平均分成 N 等份，每个点的频率依次增加。例如某点n 所表示的频率为：Fn=(n-1)*Fs/N。由上面的公式可以看出，Fn 所能分辨到频率为为Fs/N，如果采样频率 Fs 为 1024Hz，采样点数为 1024 点，则可以分辨到 1Hz。1024Hz的采样率采样 1024 点，刚好是 1 秒，也就是说，采样 1 秒时间的信号并做 FFT，则结果可以分析到 1Hz，如果采样 2 秒时间的信号并做 FFT，则结果可以分析到 0.5Hz。如果要提高频率分辨力，则必须增加采样点数，也即采样时间。频率分辨率和采样时间是倒数关系。假设 FFT 之后某点 n 用复数 a+bi 表示，那么这个复数的模就是 An=根号 a*a+b*b，相位就是 Pn=atan2(b,a)。根据以上的结果，就可以计算出 n 点（n1，且 n=N/2）对应的信号的表达式为：An/(N/2)*cos(2*pi*Fn*t+Pn)，即 2*An/N*cos(2*pi*Fn*t+Pn)。对于 n=1 点的信号，是直流分量，幅度即为 A1/N。由于 FFT 结果的对称性，通常我们只使用前半部分的结果即小于采样频率一半的结果。5、测
