21ic第三届设计大赛 + 波形发生器

1万 · 2019-5-31 16:48

本帖最后由一路向北lm 于 2019-6-17 13:55 编辑

为了调动大家的积极性，先开个贴，万一你们都不参加呢！哈哈侥幸心理...............
先发个波让你们看看，吓吓你们，快点来参赛！！！

1）项目方案的构想

01.产生五种波形，分别是正弦波，方波，三角波，锯齿波，杂波，离散点暂定一个周期内为36个点，频率范围为1-100K，幅值为STM32的电压范围（0-3.3V）。

后续经过广大网友提出要求，采样点数太少，故增加了10倍，现在已使用360点作为一个周期的数据。
2）设计、搭建

02.波形发生器设计流程如下图，采用STM32作为主控芯片，通过DA输出离散点的电压，通过LCD进行数据交互，控制MCU产生各种波形，以及几种波形的切换。增加串口，通过串口工具与开发的上位机进行数据通讯，完成各种波形的产生。

03.本次用到的硬件和调试器如下图，硬件选择野火电子的霸道开发板+LCD屏幕，调试器使用Jlink。

04.示波器暂时借用学校实验室的示波器。（偷偷告诉大家，千万不能让导师知道，要不我又得挨骂！）

1万 · 2019-6-14 11:36

本帖最后由一路向北lm 于 2019-6-14 14:43 编辑

3）调试流程

1.正弦波的产生

01.使用matlab工具，生成一个周期内36点正弦波数据，由于正弦波的幅值位于-1~1之间，我们需要将幅值范围转为0~3.3 具体matlab代码如下，以及matlab绘制的正弦曲线图像如下所示，为了方便移植到我们的单片机中，我们将36点的数据输出到.c文件中。

m文件代码如下：

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%用于产生正弦数据表，输出到文件sinWave.c 文件中，复制到c语言数组即可



n = 2*pi/36 : 2*pi/36 : 2*pi      %分成36等份



a = sin(n)+1;                     %求取sin函数值并向上平移一个单位，消除负数值

a = a * 3.3/2;                    %调整幅值，使范围限制为0~3.3   

r = a* (2.^12) /3.3               %求取dac数值，12位dac LSB = 6.3/2.^12 

r = uint16(r);                    %把double型数据转化成16位整型数据 



for i = 1:36                        

if r(i) > 4095                      %限制数据最大不超过4095

    r(i) = 4095

end

end 



dlmwrite('C:\Users\JY-LM\Desktop\波形发生器\教程提到的正弦波表制作脚本\matlab脚本\sinWave.c',r);      %把数据写入到文件,方便添加到stm32工程中

plot(n,r,'.')                     %把这些点画出来

matlab图像如下：

02.将36点的正弦波数据填入数组中，DMA周期性搬运数据到从该数组到DA外设。

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/* 36点正弦波数据---------------------------------------------------------*/

const uint16_t Sine12bit[POINT_NUM] = 

{

         2404, 2748,3072,3364,3617,3822,3972,4065,

         4095, 4065,3972,3822,3617,3364,3072,2748,

   2404, 2048,1692,1348,1024,732, 479, 274,

   124,  31,  0,   31,  124, 274, 479, 732,   

         1024, 1348,1692,2048

};

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/* 填充波形数据，单通道输出对应引脚PA5*/

for (Idx = 0; Idx < POINT_NUM; Idx++)

{

    DualSine12bit[Idx] = (Sine12bit[Idx] << 16) + (Sine12bit[Idx]);

 }

03.示波器探头连接stm32单片机PA5端口，可以看到已经输出了100kHZ的正弦波，当然还可以增加每个周期的采样点数，更加逼近正弦波。

2.方波的产生

01.对于方波就比较简单了，直接填充36个点的数据，前18点为低电平（DA数据位0），后18点为高电平（DA数据为4095 对应3.3V）。

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/* 方波数据 ---------------------------------------------------------*/

const uint16_t Square12bit[POINT_NUM] = 

{

         0,0,0,0,0,0,0,0,0,

         0,0,0,0,0,0,0,0,0,

         4095,4095,4095,4095,4095,4095,

         4095,4095,4095,4095,4095,4095,

         4095,4095,4095,4095,4095,4095,

};

02.想象是美好的，在低频段区域（1-10K）出现的方波还是比较好的，后面我将频率增大到100K时，示波器上出现的波形还是有一定的缺陷，这里的边缘处，高低电平的切换存在着过渡期，这个是我们所不想看到的。由于STM32 DA自身的响应速度，这个我也无能为力，如果我们采用PWM的方式这样出来的方波将会更加完美，本次比赛题目限定使用DA，所以这里就先这样了。

10 K时的方波图：

100K时的方波图：

3.三角波的产生

01.对于对于三角波也是采用matlab输出36个点，前18点从0V到3.3V线性递增（DA数据从0线性增长到4095），后18点从3.3V到0V线性递减（DA数据从4095线性递减到0）。

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/* 三角波数据 ---------------------------------------------------------*/

const uint16_t Triangular12bit[POINT_NUM] = 

{

         0,   227, 455, 682, 910, 1137,1365,1592,1820,

         2047,2275,2502,2730,2957,3185,3412,3640,3867,

         4095,3867,3640,3412,3185,2957,2730,2502,2275,

         2047,1820,1592,1365,1137,910, 682, 455, 227,         

};

在10kHZ和100KHZ的波形如下，从波形上来看，随着频率的升高，三角波的波尖越来越平滑。这些是我们不希望看到的，由于DA本身的局限性，这里也在所难免。

10k三角波图：

100k三角波图：

4.锯齿波的产生

01.对于对于三角波也是采用matlab输出36个点，36点从3.3V到0V线性递减（DA数据从4095线性递减到0）。

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/* 锯齿波数据---------------------------------------------------------*/

const uint16_t Sawtooth12bit[POINT_NUM] = 

{

         4095,3978,3861,3744,3627,3510,

         3393,3276,3159,3042,2925,2808,

         2691,2574,2457,2340,2223,2106,

         1989,1872,1755,1638,1521,1404,

         1287,1170,1053,936, 819, 702,

         585, 468, 351, 234, 117, 0

};

02.10kHZ和100KHZ的波形如下，从波形上来看，随着频率的升高，锯齿波的波尖越来越平滑。这些是我们不希望看到的，由于DA本身的局限性，这里也在所难免。

10k锯齿波图：

100k锯齿波图：

5.杂波的产生

1万 · 2019-6-17 11:14

本帖最后由一路向北lm 于 2019-6-17 13:53 编辑

第二次调试

为了响应广大网友的号召，将采样点数增加10倍，一个周期内的点数为360个点。好多网友说正弦波可以采用查表的方式，对于方波、三角波、锯齿波就没有必要采用查表的方式了。这里我主要是采用DMA搬运列表数据到DA外设的方式，这样就不会占用CPU的资源了。为了后面的LCD和串口接受部分程序顺利执行，使用DMA搬运是比较好的方法。当然使用操作系统也可以，根据自己的方式，找到最适合自己的方法。

增加到360点的正弦波，matlab生成的波形和数据点如下，这样一看，哇！波形不错啊，不知道stm32可以增加到多少个点！360个点不少了！再多了，我怕DMA被累死了！

复制

%用于产生正弦数据表，输出到文件sinWave.c 文件中，复制到c语言数组即可

n = 2*pi/360 : 2*pi/360 : 2*pi      %分成36等份

a = sin(n)+1;                     %求取sin函数值并向上平移一个单位，消除负数值

a = a * 3.3/2;                    %调整幅值，使范围限制为0~3.3   

r = a* (2.^12) /3.3               %求取dac数值，12位dac LSB = 6.3/2.^12 

r = uint16(r);                    %把double型数据转化成16位整型数据 

for i = 1:360                        

if r(i) > 4095                      %限制数据最大不超过4095

    r(i) = 4095

end

end 

dlmwrite('C:\Users\JY-LM\Desktop\21ic第三届大赛\波形发生器\教程提到的正弦波表制作脚本\matlab脚本\sinWave.c',r);      %把数据写入到文件,方便添加到stm32工程中

plot(n,r,'.')                     %把这些点画出来

庞大的数据集………..DMA来也……….

复制

const uint16_t Sine12bit[POINT_NUM] = 

{

         2084,2119,2155,2191,2226,2262,2298,2333,2368,2404,

         2439,2474,2509,2543,2578,2613,2647,2681,2715,2748,

         2782,2815,2848,2881,2914,2946,2978,3009,3041,3072,

         3103,3133,3163,3193,3223,3252,3281,3309,3337,3364,

         3392,3418,3445,3471,3496,3521,3546,3570,3594,3617,

         3640,3662,3684,3705,3726,3746,3766,3785,3803,3822,

         3839,3856,3873,3889,3904,3919,3933,3947,3960,3972,

         3984,3996,4007,4017,4026,4035,4044,4051,4058,4065,

         4071,4076,4081,4085,4088,4091,4093,4095,4095,4095,

         4095,4095,4093,4091,4088,4085,4081,4076,4071,4065,

         4058,4051,4044,4035,4026,4017,4007,3996,3984,3972,

         3960,3947,3933,3919,3904,3889,3873,3856,3839,3822,

         3803,3785,3766,3746,3726,3705,3684,3662,3640,3617,

         3594,3570,3546,3521,3496,3471,3445,3418,3392,3364,

         3337,3309,3281,3252,3223,3193,3163,3133,3103,3072,

         3041,3009,2978,2946,2914,2881,2848,2815,2782,2748,

         2715,2681,2647,2613,2578,2543,2509,2474,2439,2404,

         2368,2333,2298,2262,2226,2191,2155,2119,2084,2048,

         2012,1977,1941,1905,1870,1834,1798,1763,1728,1692,

         1657,1622,1587,1553,1518,1483,1449,1415,1381,1348,

         1314,1281,1248,1215,1182,1150,1118,1087,1055,1024,

         993, 963, 933, 903, 873, 844, 815, 787, 759, 732,

         704, 678, 651, 625, 600, 575, 550, 526, 502, 479,

         456, 434, 412, 391, 370, 350, 330, 311, 293, 274,

         257, 240, 223, 207, 192, 177, 163, 149, 136, 124,

         112, 100, 89,  79,  70,  61,  52,  45,  38,  31,

         25,  20,  15,  11,  8,   5,   3,   1,   0,   0,

         0,   1,   3,   5,   8,   11,  15,  20,  25,  31,

         38,  45,  52,  61,  70,  79,  89,  100, 112, 124,

         136, 149, 163, 177, 192, 207, 223, 240, 257, 274,

         293, 311, 330, 350, 370, 391, 412, 434, 456, 479,

         502, 526, 550, 575, 600, 625, 651, 678, 704, 732,

         759, 787, 815, 844, 873, 903, 933, 963, 993, 1024,

         1055,1087,1118,1150,1182,1215,1248,1281,1314,1348,

         1381,1415,1449,1483,1518,1553,1587,1622,1657,1692,

         1728,1763,1798,1834,1870,1905,1941,1977,2012,2048

};