模拟技术中的数字可调共振源的设计与应用
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2020-10-22
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模拟技术中的数字可调共振源的设计与应用模拟技术中的数字可调共振源的设计与应用
共振是指一个物理系统在特定频率下，以最大振幅做振动的情形。此一特定频率称之为共振频率。自然中有许
多地方有共振的现象。人类也在其技术中利用或者试图避免共振现象。 共振现象是自然界普遍存在的物理
现象，随着共振原理的揭示，共振在生产实践和科研领域中得到广泛应用。在大学物理实验中，共振实验也是
一项重要实验组成部分，如力学机械弹簧共振实验、声学昆特管实验、光学相干波干涉实验、电磁场互感谐振
实验等，其中都涉及到共振源本身的设计。在各种共振实验中，都需要一个高精度、输出信号频率连续可调且
功率足够大的共振源。然而目前的实验平台多采用模拟元件构成和手动机械式调节，原理多是锁相环频率合成
的方法，存在着产生的信
共振是指一个物理系统在特定频率下，以最大振幅做振动的情形。此一特定频率称之为共振频率。自然中有许多地方有共
振的现象。人类也在其技术中利用或者试图避免共振现象。
共振现象是自然界普遍存在的物理现象，随着共振原理的揭示，共振在生产实践和科研领域中得到广泛应用。在大学物理
实验中，共振实验也是一项重要实验组成部分，如力学机械弹簧共振实验、声学昆特管实验、光学相干波干涉实验、电磁场互
感谐振实验等，其中都涉及到共振源本身的设计。在各种共振实验中，都需要一个高精度、输出信号频率连续可调且功率足够
大的共振源。然而目前的实验平台多采用模拟元件构成和手动机械式调节，原理多是锁相环频率合成的方法，存在着产生的信
号频率精度低、频率可调节范围小、调节反应慢等缺点。本文介绍了一种基于Cortex-M3（STM32F103C8）最新ARM内核的
成本低、功耗低、分辨率高、频率变换快的直接数字合成（DDS）的共振源。
Cortex-M3是一个32位的核，在传统的单片机领域中，有一些不同于通用32位CPU应用的要求。谭军举例说，在工控领
域，用户要求具有更快的中断速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中断技术，完全基于硬件进行中断处理，最多可减少12个
时钟周期数，在实际应用中可减少70%中断。
单片机的另外一个特点是调试工具非常便宜，不象ARM的仿真器动辄几千上万。针对这个特点，Cortex-M3采用了新型的
单线调试（Single Wire）技术，专门拿出一个引脚来做调试，从而节约了大笔的调试工具费用。同时，Cortex-M3中还集成了
大部分存储器控制器，这样工程师可以直接在MCU外连接Flash，降低了设计难度和应用障碍。
1 系统结构系统结构
根共振源系统主要由据系统的性能要求，计算机控制软件、USB通信、CPU模块、信号发生模块、信号滤波放大电路模
块、显示及键盘控制模块、外围实验装置等6部分组成。图1为该系统框图。
系统以高速低功耗STM32F103C8为主控芯片，通过按键设置输出频率与幅度，并将频率和幅度值显示在LCD屏上，并控
制DDS芯片AD9850合成相应的信号，该信号经过滤波放大模块将信号的功率放大后输出到外围的振动装置上。同时，振动源
可以通过USB与计算机相连，PC机在软件中设置输出信号频率和幅度。
2 系统硬件设计系统硬件设计
2.1 CPU主控部分主控部分
系统采用STM32F103C8作为主控制芯片。STM32F103C8是ST公司于2008年推出的以高性能的ARM Cortex-M3 32位的
RISC内核的ARM。工作频率可达72 MHz，内置高速存储器（高达512 kB的闪存和64 kB的SRAM），丰富的增强I／O端口和
联接到两条APB总线的外设。Thumb-2指令集带来了更高的指令效率和更强的性能，通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器，对中
断事件的响应比以往更迅速，工作电压可以在2.0～3.6 V之间，能够实现耗电最优化。
将STM32F103C8的PA0～PA7口与AD9850的8位并行数据接收端口相连，PB12、PB13、PB14分别与W_CLK、
FQ_UD、CLKIN相连作为控制总线，用于控制AD9850的工作。具体控制连接，如图2所示所示。
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