基于Cortex-M3的数字可调共振源的设计

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。

1 系统结构
根据系统的性能要求，共振源系统主要由计算机控制软件、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
2．1 CPU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。在工业实时控制、计算机外部设备、建筑和安防、仪器仪表、通讯设备、家电消费等各个领域应用广泛。
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。

2．2 信号发生模块
信号发生模块选用DDS芯片AD9850，它是高稳定度的直接数字频率合成器件，内部包含：输入寄存器、数据寄存器、数字合成寄存器(D-DS)、10位高速D／A转换器和高速比较器。AD9850高速的直接数字合成器(DDS)，核心根据设定的32位频率控制字和5位相移控制字，可产生0．029 Hz～62．5 MHz的正弦信号或者标准的方波信号。该器件可通过并行接口或串行接口实现控制字写入，以改变输出频率和相位。本文采用并行输入方式，通过8位总线D0～D7将外部控制字输入到寄存器。5个W-CLK的上升沿读入5 bit数据到输入寄存器后。FQ-UD(频率更新时钟)上升沿到40位数据加载到频率／相位控制寄存器，输出波形频率和相位更新一次。AD9850输出频率数据F与频率控制字M(4 bit)之间的关系为

其中，CLKin为外部参考时钟，本设计采用50 MHz。
2．3 信号滤波及功放模块
AD9850输出信号直接由器件内部的D／A转换合成的，而D／A的位数有限，难免会产生数字量化噪声，这种量化噪声进而会造成输出信号产生畸变。本系统选用了椭圆低通滤波器，可有效抑制120 MHz以上的高频干扰。图3为信号滤波电路。