基于Cortex-M3的數(shù)字可調共振源的設計

共振現(xiàn)象是自然界普遍存在的物理現(xiàn)象，隨著共振原理的揭示，共振在生產(chǎn)實踐和科研領域中得到廣泛應用。在大學物理實驗中，共振實驗也是一項重要實驗組成部分，如力學機械彈簧共振實驗、聲學昆特管實驗、光學相干波干涉實驗、電磁場互感諧振實驗等，其中都涉及到共振源本身的設計。在各種共振實驗中，都需要一個高精度、輸出信號頻率連續(xù)可調且功率足夠大的共振源。然而目前的實驗平臺多采用模擬元件構成和手動機械式調節(jié)，原理多是鎖相環(huán)頻率合成的方法，存在著產(chǎn)生的信號頻率精度低、頻率可調節(jié)范圍小、調節(jié)反應慢等缺點。本文介紹了一種基于Cortex-M3(STM32F103C8)最新ARM內(nèi)核的成本低、功耗低、分辨率高、頻率變換快的直接數(shù)字合成(DDS)的共振源。

1 系統(tǒng)結構
根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，共振源系統(tǒng)主要由計算機控制軟件、USB通信、CPU模塊、信號發(fā)生模塊、信號濾波放大電路模塊、顯示及鍵盤控制模塊、外圍實驗裝置等6部分組成。圖1為該系統(tǒng)框圖。

系統(tǒng)以高速低功耗STM32F103C8為主控芯片，通過按鍵設置輸出頻率與幅度，并將頻率和幅度值顯示在LCD屏上，并控制DDS芯片AD9850合成相應的信號，該信號經(jīng)過濾波放大模塊將信號的功率放大后輸出到外圍的振動裝置上。同時，振動源可以通過USB與計算機相連，PC機在軟件中設置輸出信號頻率和幅度。

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 CPU主控部分
系統(tǒng)采用STM32F103C8作為主控制芯片。STM32F103C8是ST公司于2008年推出的以高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核的ARM。工作頻率可達72 MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達512 kB的閃存和64 kB的SRAM)，豐富的增強I／O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設。Thumb-2指令集帶來了更高的指令效率和更強的性能，通過緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對中斷事件的響應比以往更迅速，工作電壓可以在2．0～3．6 V之間，能夠實現(xiàn)耗電最優(yōu)化。在工業(yè)實時控制、計算機外部設備、建筑和安防、儀器儀表、通訊設備、家電消費等各個領域應用廣泛。
將STM32F103C8的PA0～PA7口與AD9850的8位并行數(shù)據(jù)接收端口相連，PB12、PB13、PB14分別與W_CLK、FQ_UD、CLKIN相連作為控制總線，用于控制AD9850的工作。具體控制連接，如圖2所示所示。

2．2 信號發(fā)生模塊
信號發(fā)生模塊選用DDS芯片AD9850，它是高穩(wěn)定度的直接數(shù)字頻率合成器件，內(nèi)部包含：輸入寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)字合成寄存器(D-DS)、10位高速D／A轉換器和高速比較器。AD9850高速的直接數(shù)字合成器(DDS)，核心根據(jù)設定的32位頻率控制字和5位相移控制字，可產(chǎn)生0．029 Hz～62．5 MHz的正弦信號或者標準的方波信號。該器件可通過并行接口或串行接口實現(xiàn)控制字寫入，以改變輸出頻率和相位。本文采用并行輸入方式，通過8位總線D0～D7將外部控制字輸入到寄存器。5個W-CLK的上升沿讀入5 bit數(shù)據(jù)到輸入寄存器后。FQ-UD(頻率更新時鐘)上升沿到40位數(shù)據(jù)加載到頻率／相位控制寄存器，輸出波形頻率和相位更新一次。AD9850輸出頻率數(shù)據(jù)F與頻率控制字M(4 bit)之間的關系為

其中，CLKin為外部參考時鐘，本設計采用50 MHz。
2．3 信號濾波及功放模塊
AD9850輸出信號直接由器件內(nèi)部的D／A轉換合成的，而D／A的位數(shù)有限，難免會產(chǎn)生數(shù)字量化噪聲，這種量化噪聲進而會造成輸出信號產(chǎn)生畸變。本系統(tǒng)選用了橢圓低通濾波器，可有效抑制120 MHz以上的高頻干擾。圖3為信號濾波電路。