电工电子实验教学资源共享平台

实验题目：多功能信号发生器的设计

课程简要信息

课程名称：电子电路课程设计

课程学时：40

项目学时：（课内：40学时、课外：18学时）

适用专业：（电气工程及其自动化）

学生年级：（大二、第2学期）

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

电子电路课程设计将理论知识与实践操作紧密结合，培养学生的综合应用能力、创新思维和解决实际问题的能力。通过该实验项目，使学生将电子技术和单片机原理等知识应用于具体项目中，加深对滤波器、振荡器、积分电路、单片机原理等核心知识的使用。

（1）基本要求

1）输出矩形波、锯齿波、正弦波，频率在0.5KHz～10KHz 范围内连续可调；

2）矩形波V~~OPP~~≥10V（误差<20%），上升时间、下降时间小于10μs；1KHz时占空比可调，范围为20%～80%；

3）锯齿波V~~OPP~~ ≥7V（误差<20%）；输出V~~OPP~~可在0.5V-7V 范围内独立连续可调；

4）正弦波V~~OPP~~ ≥1V，无明显失真；

5）使用Multisim仿真，选择元器件，在面包板上搭接并测量；

6）应用三角波进行PWM调制，控制LED灯亮度变化；

7）解决故障和误差分析。

（2）进阶要求

1）使用嘉立创EDA软件绘制PCB版图，制作PCB板；

2）完成硬件焊接、调试，解决故障和误差分析；

3）实现基本要求功能。

（3）拔高要求

1）采用单片机和外围电路实现数字型多功能信号发生器，能够输出方波、三角波、正弦波和PWM脉冲波，要求采用嘉立创EDA软件画图，制作PCB板，完成器件焊接、测试和控制LED灯亮度变化；

2）频率：10Hz～5KHz；步进频率1Hz；幅值：V~~OPP~~＝3V；步进幅度0.1V；矩形波占空比：10%～90%；

3）解决故障和误差分析。

实验过程及要求（限300字）

本实验项目需进行系统需求分析、原理设计、软件仿真、制作实物、调试系统、参数测试等过程，具体过程及要求如下:

（1）3人为一组，提前在学习通上预习实验，查阅资料，完成预习作业；

（2）根据要求选择不同实验方案；

（3）完成矩形波电路、锯齿波电路、正弦波各分电路设计；

（4）将单元电路综合优化，进行系统电路设计，画原理图；

（5）使用Multisim软件绘制电路，仿真，记录仿真数据；

（6）根据原理图，用面包板制作实物，进行调试及参数测试，记录结果和误差分析；

（7）使用EDA软件绘PCB图，制作PCB板；完成硬件焊接、调试；

（8）完成拔高要求(部分学生)；

（9）完成答辩，撰写总结报告。

实验环境条件

(1) 实验场地

本实验依托电气与信息工程学院电工电子实验教学示范中心、电子技术创新实践基地开展，如图5.1所示。

图5.1电工电子实验教学示范中心、电子技术创新实践基地

(2) 实验仪器

所需的实验仪器包括电子综合实验台(求是NETL-VB)、高速数字示波器（DS1072U）)、数字万用表(VC890D)等，如图5.2所示。

图5.2所需的实验仪器

（3）硬件

配有材料箱一个（含面包板1块，LM741、LM318、双稳压管2DW232、电阻元件、电位器、二极管、三极管等元件一套、剥线钳1个、弯嘴钳1个、小一字螺丝刀1个，导线若干），如图5.3所示。

图5.3所需硬件

（4）在线课程

教师用超星学习通在线教学管理平台进行过程管理和课外指导，学生进行预习实验，完成预习实验作业等。团队构建了“四维图谱”系统（知识图谱、问题图谱、能力图谱、思政视图），打通知识脉络、问题攻关、能力提升与价值引领的全链条，形成“学—问—能—德”协同发展的育人闭环。搭配专属AI助教，与知识图谱智能交互，精准洞察学生疑惑并给予清晰解答，成为学生学习路上的贴心伙伴，如图5.4所示。

图5.4超星学习通在线课程

软件

1）Multisim 仿真软件

学生用 Multisim 仿真软件进行电路仿真和测试，如图5.5所示。

图5.5 Multisim 仿真软件界面

2）嘉立创EDA软件

图5.6 嘉立创EDA软件界面

3）MDK- ARM软件

图5.7 单片机开发MDK- ARM软件界面

教学目标与目的（限150字）

在较为完整的项目实现过程中引导学生建立项目制概念，深入学习电路理论、电子技术理论、单片机原理并能扩展应用和综合，使学生能够根据给定的性能指标，独立完成查阅手册、选择元器件、电路设计、仿真、制作和测试，形成完整的项目文档，培养学生创新思维和团队协作精神。教学目标如图6.1所示。

图6.1教学目标图

教学设计与实施进程

7.1设计思路

本实验是一个比较完整的工程实践项目，以“学生中心、产出导向、问题驱动、持续改进”的教学理念为指导，充分利用数智化教育教学技术，构建5E（engagement、exploration、explanation、elaboration、evaluation）线上线下混合教学模式，包括参与、探究、解释、迁移和评价5个环节，学生需要经历学习研究、方案论证、系统设计、软件仿真、硬件实施、实验调试、考核答辩、报告撰写等过程，要求3人一组，共同拟定分工完成。教学设计方案图如图7.1所示，实验过程体现了“一主线（信号发生器的设计）、三阶段（课前、课中、课后）、五结合（理论和实践、硬件和软件、线上和线下、课内和课外、教学和工程）、五提升（提升知识水平、实践能力、创新思维、协作能力、综合素质）”的理念，并注重全流程融入课程思政。

图7.1 实验教学设计方案图

7.2教学实施步骤

（1）发布预习实验内容。教师通过超星学习通发布预习实验内容，学生利用业余时间了解实验项目相关要求，并完成实验预习作业。教师在平台上发布多功能信号发生器的设计原理、基本电路结构、常见波形产生方法等预习资料，提供相关视频教程，如信号发生器的工作原理动画、基本电路元件的介绍等供学生学习参考。

（2）线下课堂实验引入。由通信、医疗、航天、教育等行业设备中不同信号的应用为例引入实验项目，提问：“这些信号如何产生的？我们能不能自己动手做信号发生器呢？”，鼓励学生运用所学知识设计制作信号发生器，激发学生学习兴趣。提问：“如果这些波形不稳定或精度不足，会带来什么后果？”，激发学生精益求精的创新精神。教师详细说明实验目标、安排、要求和考核方式等。教师讲解基本部分方案设计，分电路设计思路，设置相关问题。

（3）要求各小组学生按要求完成相关设计，并使用Multisim软件仿真，观察电路的工作状态和输出波形，优化电路设计和元件参数选择。

（4）实践操作指导。安排学生进行实验操作，指导学生选择合适的元件和电路拓扑结构，使用面包板搭建信号发生器电路。

（5）硬件实现与调试。指导学生调试、测试面包板电路，帮助解决硬件实现过程中遇到的问题。

（6）进阶部分（工程设计）。指导学生使用嘉立创EDA软件自行绘制PCB电路，由嘉立创公司制作PCB板，完成PCB板电路焊接，调试和测试。

（7）拔高部分（工程设计）。鼓励学生应用单片机完成信号发生器的设计，自行绘制PCB板，完成焊接、调试和工程应用。

（8）组织学生以项目演讲、答辩、讨论的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。各小组对其他组完成情况给予打分评价，做到生生互评。

（9）总结与评估。对学生的学习成果进行评估和总结，提出改进意见和建议。

（10）指导学生撰写设计报告，养成严谨的科学研究态度，提高学生的理论水平，初步培养学生的科研能力，为以后学术研究打下坚实的基础。

详细内容和步骤如表1所示。

表1 实验内容和步骤

要求	实验内容	学时	实验步骤	教学方法
基本要求（知识掌握）	实验任务及信号发生器设计相关知识，预习作业	2学时（课外）	1.运放知识介绍； 2.矩形波、锯齿波、正弦波电路设计视频。	1.教师线上发布 2.学生进行分组，通过学习通学习、讨论 3.完成预习作业
	信号发生器单元电路设计，整体电路设计	8学时（课内）	1.输出矩形波、锯齿波、正弦波，频率能在0.5KHZ～10KHZ 范围内连续可调； 2.矩形波输出电压V_OPP＝11V（误差<20%），上升时间、下降时间小于10μs；1KHZ占空比可调，范围为20%‐80%； 3.锯齿波V_OPP ＝7V（误差<20%）；输出峰峰值V_OPP可在0.5V-7V 范围内独立连续可调； 4.正弦波V_OPP ≥1V，无明显失真； 5.使用Multisim软件仿真，选择相应元器件，在面包板上搭接电路并测量。 6.应用锯齿波进行PWM调制，占空比10%‐90%，控制小灯亮度变化；	（思政融入）展示矩形波、正弦波在通信、医疗、航天、教育等领域的应用（如5G信号调制、心电图仪、卫星测控），提问：“这些信号如何产生的？我们能不能自己动手做信号发生器呢？”，引入实验项目，鼓励学生运用所学知识设计制作信号发生器，激发学生学习兴趣。提问：“如果这些波形不稳定或精度不足，会带来什么后果？”，激发学生精益求精的创新精神。 2.教师讲解 3.学生设计 3.教师答疑
	电路软件仿真	8学时（课内）	使用Multisim14软件仿真电路，分析仿真结果是否正确。	学生使用软件设仿真教师答疑、考核
	面包板硬件设计，PWM工程应用	7学时（课内）	合理选择元器件，使用面包板完成硬件电路搭接、调试和测试。	（思政融入）通过央视纪录片《大国重器》中“国产高端仪器受制于人”的案例，指出我国超高频段（110GH）信号发生器长期依赖进口的现状，引发学生思考：“作为工科专业学生，我们能否从基础实验起步，未来突破‘卡脖子’技术？”，激发学生科技报国情怀。鼓励学生小组合作完成，培养协作能力； 2.学生硬件操作、测试； 3. 小组研讨 4.教师指导、答疑、考核
进阶要求（能力提升）	电路设计使用嘉立创EDA软件绘制PCB版图，制作PCB板	6学时（课内）	使用EDA软件绘PCB版图，制作PCB板；	1.（思政融入）通过小组合作，既提升学生的专业技术能力，又培养团队协作精神、责任意识和集体荣誉感，引导学生从“单打独斗”走向“协同创新”。举例航天工程中的“双岗复核制”（如长征火箭发射前需两人独立确认数据），要求学生互查电路设计。举例华为2012实验室，很多创新、前沿的科研成果都是出自这个实验室，是集体团结协作完成各种科研成果； 2.学生设计； 3.教师答疑。
	PCB版硬件焊接	7学时（课内）	合理选择元器件，使用PCB板完成硬件电路焊接、调试和测试。	1.学生硬件操作、测试； 2.教师指导、答疑、考核； 3.小组研讨。
	调试，PWM脉冲波应用	2学时（课内）	应用锯齿波进行PWM调制，控制小灯亮度变化。	1.（思政融入）2015年，中国中车工程师团队在研发“复兴号”动车组时，发现牵引电机在部分负载工况下存在效率损失问题。通过优化PWM（脉冲宽度调制）算法，团队最终将电机效率从97.2%提升至98.5%，单列车年节电超10万度； 2.学生设计、调试； 3.教师指导； 4.小组研讨。
	汇报答辩	2学时（课内）	1.按照分工汇报实验情况，展示作品； 2.总结和反思。	1.组织学生以项目演讲、答辩、讨论的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面，评定包括小组自评、生生互评、教师点评； 2.总结和反思。对学生的学习效果进行评估和总结，提出改进意见和建议。
拔高要求（工程实践）	PCB电路板绘制	6学时（课外）	小组自行设计，完成PCB电路板绘制。	1.学生设计； 2.教师指导。
拔高要求（工程实践）	单片机实现信号发生器及PWM应用	8学时（课外）	选择元器件，完成单片机硬件电路焊接，软件调试；应用锯齿波进行PWM调制，控制小灯亮度变化。	1.学生设计、焊接、调试； 2.教师指导； 3.小组研讨。
实验报告	纸质报告	2学时（课外）	学生完成总结报告	指导学生撰写设计报告，养成严谨的科学研究态度，提高学生的理论水平，初步培养学生的科研能力，为以后学术研究打下坚实的基础。

7.3课程思政设计

（1）展示矩形波、正弦波在通信、医疗、航天等领域的应用（如5G信号调制、心电图仪、卫星测控，见图7.2），提问：“这些信号如何产生的？我们能不能自己动手做信号发生器呢？”，引入实验项目，鼓励学生运用所学知识设计制作信号发生器，激发学生学习兴趣。提问：“如果这些波形不稳定或精度不足，会带来什么后果？”，激发学生精益求精的创新精神。

图7.2 课程思政素材1

（2）通过央视纪录片《大国重器》中“国产高端仪器受制于人”的案例（见图7.3），指出我国超高频段（110GH）信号发生器长期依赖进口的现状，引发学生思考：“作为工科专业学生，我们能否从基础实验起步，未来突破‘卡脖子’技术？”，激发学生科技报国情怀。通过对比国产和进口信号发生器的参数，说明“从能用向好用的跨越”需要持之以恒的创新。

（3）学生需要以小组形式完成信号发生器的设计与调试。该任务涉及电路设计、PCB制作、程序编写、测试优化等多个环节，仅靠个人难以高质量完成。通过小组合作，既提升学生的专业技术能力，又培养团队协作精神、责任意识和集体荣誉感，引导学生从“单打独斗”走向“协同创新”。举例航天工程中的“双岗复核制”（如长征火箭发射前需两人独立确认数据），要求学生互查电路设计。2019年华为第一次对外开放了部分2012实验室（见图7.4），这也是这个神秘实验室首次公开亮相，其对华为的意义非常重要，可以说不少创新、前沿的科研成果都是出自这个实验室，是集体团结协作完成各种科研成果。任正非此前公开介绍，华为至少有 700 名数学家、800 多名物理学家、120多名化学家、6000多名基础研究的专家、60000多名各种高级工程师、工程师，形成这种组合在前进。希望同学们记住：中国工程师的竞争力，不仅在于个人技术有多强，更在于能否与团队一起“把不可能变为可能”。

图7.3 课程思政素材2 图7.4 课程思政素材3

（4）中国高铁作为国家名片，其核心技术之一便是牵引电机的控制效率。2015年，中国中车工程师团队在研发“复兴号”动车组时（见图7.5），发现牵引电机在部分负载工况下存在效率损失问题。通过优化PWM（脉冲宽度调制）算法，团队最终将电机效率从97.2%提升至98.5%，单列车年节电超10万度。这一技术突破不仅体现了工程师的工匠精神，更彰显了中国科技工作者“精益求精、科技报国”的使命担当。

图7.5 课程思政素材4

实验原理及方案

8.1基础部分 {#基础部分}

基础部分方案可参考以下两种形式，方案1按矩形波、锯齿波、正弦波、PWM矩形顺序产生所需信号，如图8.1所示。方案2按正弦波、方波、三角波、PWM矩形波、锯齿波顺序产生所需信号，如图8.2所示。

图8.1 方案1

图8.2 方案2

方案1锯齿波到正弦波变换可采用有源积分、差分放大、二极管修正电路实现。方案2正弦波产生电路可采用RC正弦波振荡电路或LC正弦波振荡电路。

（1）矩形波产生电路

矩形波产生电路由同相输出迟滞比较器构成，如图8.3所示，

该电路当集成运放的同相输入端和反相输入端电压相等时，输出发生跳变，因此求出时对应的输入ui就是该电路的阈值电压。

（8.1）

（8.2）

由于

（8.3）

所以

（8.4）

当输入为1KHz的锯齿波时，输入超过上门限电压，输出为UZ（=5.8V），当输入低于下门限电压，输出为-UZ（=-5.8V），所以输出可以得到峰峰值为11.6V的矩形波，图8.4为实际面包板电路测得的方波信号。

8.3 矩形波产生电路 8.4 示波器测的矩形波

（2）锯齿波产生电路

矩形波到锯齿波可通过积分电路实现，电路如图8.5所示，输出与输入之间的关系为：

（8.5）

当输入信号为矩形波，输出为锯齿波。

图8.5积分电路

矩形波、锯齿波整体电路如图8.6所示，为了实现输出信号频率调节要求，将运放U1输出经50KΩ电位器R4送到积分电路，在积分电容固定的情况下，频率由R4可调电阻决定。在电路中增加了两个二极管D1、D2和50KΩ电位器R6，利用二极管的单向导电性，使得正反向积分时间不同，实现输出矩形波形占空比可调。

图8.6 矩形波、锯齿波发生电路

矩形波的波形图如图8.7所示。假设刚开始矩形波输出正值UZ，经电位器R4分得电压kUZ，再经二极管D~1、~~电位器R6的上部分和C1进行积分，当uo2积分到迟滞比较器的下门限电压，迟滞比较器翻转，矩形波输出负值-UZ，此时经电位器R4分得电压-kUZ，再经二极管D~~2、~电位器R6的下部分和C1进行积分，当uo2积分到迟滞比较器的上门限电压，迟滞比较器再次翻转，矩形波输出正值UZ，周而复始，得到矩形波波和锯齿波的输出。

图8.7矩形波锯齿波波形图

输出波形频率计算如下。当矩形波输出为正值时：

（8.6）

（8.7）

当矩形波输出为负值时：

（8.8）

（8.9）

则：（8.10）

得频率：（8.11）

占空比：（8.12）

（3）锯齿波独立调幅电路

锯齿波独立调幅电路如图8.8所示，为了提高带负载能力，采用锯齿波输出端经电位器加电压跟随器实现。

图8.8 锯齿波独立调幅电路

（4）正弦波产生电路电路

1）RC正弦波振荡电路

RC桥式正弦波振荡电路如图8.9所示。

该电路的幅频相应为：

（8.13）

当

（8.14）

幅频响应最大

（8.15）

幅频响应曲线如图8.10所示。

图8.9RC桥式正弦波振荡电路 8.10幅频响应曲线

通电瞬间，电路中的噪声或瞬态扰动包含宽频谱信号，RC选频网络从中筛选出目标频率 f0 的信号，并通过放大器放大，其他频率信号被衰减，当达到一定幅度，需要使用稳幅环节使电路达到幅度平衡，最终输出频率为f0 的正弦波，图8.11为使用Multisim软件画的正弦波振荡电路如，图中的两个二极管起到稳幅作用。

2）三角波通过积分变成正弦波

三角波可通过积分电路变成正弦波，积分电路如图8.12所示。

8.11 RC桥式正弦波振荡电路 8.12积分电路

如果输入信号为三角波，按傅立叶级数展开，可得

（8.16）

经积分后得

（8.17）

积分电路的截止频率为

（8.18）

积分电路等效为一阶低通滤波电路，高频信号被显著抑制，因此输出近似为

（8.19）

输出近似为正弦波，Multisim仿真电路如图8.13所示，图8.14为仿真结果。

8.13仿真电路 8.14仿真结果

3）三角波通过差分放大电路变成正弦波

差分放大器通过非线性压缩三角波的边沿，抑制高次谐波，辅以滤波电路，最终输出近似正弦波。此方法适用于低频信号转换，需结合参数调节保障波形质量，电路如图8.15所示，其中Rp3调整锯齿波的幅度，Rp4调整电路的对称性，其并联电阻Re2用来减小差分放大电路的线性区，电容C3、C4、C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

图8.15正弦波产生电路

4）三角波通过二极管修正电路分段线性化变成正弦波

根据正弦波在不同区间内的变化特点，将三角波按照一定的规则进行分段线性变换，在三角波的一个周期内，根据正弦波的上升和下降趋势，将三角波分割成若干段，然后分别对每一段进行线性变换，使其逼近相应区间内的正弦波部分。折线逼近正弦波的原理如图8.16所示，U~~IMAX~~为输入三角波的幅度，u为正弦波的幅度，在四分之一波形周期内分成四段，度数越高，相应分段内正弦波电压与三角波电压增益越小，如图8.16所示。Multisim仿真电路和仿真结果如图8.17和图8.18所示，如果想要正弦波波形失真度小，需要设置多个分段。

8.16分段线性化关系图

8.17电路图 8.18仿真图

（5）方波PWM调制电路

方波PWM调制电路电路图如图8.19所示。

8.19锯齿波PWM调制电路

调节R14，可实现占空比10%到90%变化，图8.20分别为示波器测得的占空比10%到90%的PWM波形图。

图8.20占空比10%到90%的PWM波形图

用PWM信号控制小灯，占空比越大，LED灯越亮，如图8.21所示。

图8.21 PWM信号控制小灯

（6）整体电路

多功能信号发生器整体电路如图8.22所示。

图8.22整体电路

仿真结果如图8.23所示。

8.23仿真结果

8.2进阶部分 {#进阶部分}

这部分要求学生对基础部分电路进行整理与完善，采用嘉立创EDA设计软件完成PCB板图设计，委托加工电路板（嘉立创公司免费提供PCB制板服务），完成硬件焊接和调试。

将基础部分电路原理图按电气标准在嘉立创EDA软件中绘制完成，并考虑实际应用时的信号输出测试端子、电源端子、可调元件等封装形式，完善电路设计。如图8.24所示。

将原理图设计进行DRC电气检查后，转换为网络表导入到EDA软件的PCB设计模块中，完成板形尺寸定义、元件布局、布线、标识等设计，打开3D效果检查后，并将PCB板图文件提交委托加工，如图8.25所示。

将所需元件按由小到大、由低到高的顺序，分部分焊接到电路板，用万用表按原理图检测有无短路，断路现象；通入电源，用示波器、万用表观察波形信号，完成系统功能和技术指标参数调试，如图8.26所示。

图8.24 多功能信号发生器电路原理图

$C:\Users\Administrator\Documents\WeChat Files\wxid_lvrz96wozrg221\FileStorage\Temp\c99617eb7b1188b7cf4f52512899015.png$

图8.25 多功能信号发生器PCB板3D图

图8.26 多功能信号发生器PCB制板和焊接调试后实物图

8.3拔高部分 {#拔高部分}

采用运算放大器构成的多功能信号发生器有其自身的特点，如精度高，电路简单，成本低等。但也有其不足之处，如调节参数不方便，相互影响；无输出参数显示功能，稳定性差等。采用单片机及其外围电路构成的多功能信号发生器，能够较好地实现功能与技术要求，具有调节方便，参数可视化，稳定性好等优点，也是一个较好的电子技术课程综合能力训练项目。

数字化的多功能信号发生器根据采用的技术不同，可采用以下两种方案实现，各有优缺点。

8.3.1 采用嵌入式单片机设计 {#采用嵌入式单片机设计}

该方案采用32位ARM处理器，利用内部定时器可以直接生成矩形波和PWM，相对容易；锯齿波和正弦波需要DAC配合DMA，通过定时器硬件触发来实现，STM32F103RCT6有2个12位DAC，可以用来输出模拟信号。输出信号的幅度调节，可以采用数字电位器和运放实现，系统功能结构框图如图8.27所示。系统大致分为电源模块、波形生成（DAC和PWM）、幅度调节电路（运放和数字电位器/DAC控制）、频率调节（通过STM32定时器控制DAC更新速率或PWM频率），以及用户输入界面（编码器或按键）。

单片机电路需自行绘制PCB版，完成单片机及外围电路焊接。电源统一采用+5V供电，建议使用低压轨至轨运放构建放大部分。

图8.27 采用单片机设计的多功能信号发生器功能框图

（1）系统架构设计 {#系统架构设计}

1）主控模块

采用32位ARM处理器，STM32F103RCT6（72MHz主频，2x12位DAC，4x定时器支持PWM）

时钟源：8MHz外部晶振（HSE） + PLL倍频至72MHz

功能分配：

DAC1/DAC2：生成正弦波、锯齿波
定时器（TIM1/TIM2）：生成矩形波/PWM波
ADC1：幅度反馈调节（可选）

2）电源模块

输入电源：5V DC
主控供电：3.3V LDO（AMS1117-3.3）
输入电容：10μF（陶瓷）
输出电容：22μF（陶瓷）
运放供电：5V直接供电（单电源运放）

3）输出级电路

缓冲器：高速轨到轨运放（如LMV358/AD8605）
幅度调节：数字电位器（MCP41xxx）或DAC控制运放增益
滤波电路：PWM转模拟信号（RC低通滤波器，截止频率≥5kHz）

（2）波形生成原理与参数设计 {#波形生成原理与参数设计}

1）矩形波/PWM波

将内部定时器配置为PWM模式（TIM1或TIM2），可输出占空比可调矩形波。

频率调节公式：

$f_{PWM} = \frac{f_{TIM}}{(ARR + 1) \times (PSC + 1)}$

$f_{TIM}$：定时器时钟频率（72MHz）

ARR：自动重装载值

PSC：预分频系数

频率范围：1Hz～5kHz（通过调整ARR和PSC实现）
幅度调节：直接输出0-3.3V（STM32 GPIO电平）。

2）正弦波/锯齿波

建议使用DAC+DMA生成波形数据表，硬件定时触发DAC输出。

波形点数与频率关系：

$$f_{wave} = N \times f_{DMA_ Trigger}$$

N：一个周期的采样点数（建议≥100点，THD<5%）

$f_{DMA_ Trigger}$：DAC更新频率（由定时器触发）

最大频率计算：

DAC最大更新率：1MHz（STM32F103 DAC限制）

f~~max~~=1MHz/100=10kHz（需限制为5kHz以满足设计要求）

幅度调节：

运放配置为同相放大器，增益由数字电位器控制：

V~~out=~~V~~DAC~~×(1+ RSZ / RGD)

初始增益：G=1（DAC输出0-3.3V）。

数字电位器调节范围：RSZ=0~10kΩ，RGD=10kΩ。

（3）关键参数设计依据 {#关键参数设计依据}

1）DAC分辨率与幅度精度

12位DAC → 3.3V/4096 ≈ 0.8mV/step
幅度调节步进：3Vpp/4096 ≈ 0.73mV（满足一般需求）

2）运放选型要求

带宽：GBW≥20×fmax=100kHz（LMV358满足）
压摆率：=2π×5k×3V≈0.1V/μs（LMV358：0.3V/μs）

3）电源噪声抑制

LDO输出纹波：≤10mVpp（AMS1117典型值）
运放电源去耦：0.1μF陶瓷电容并联10μF电解电容。

（4）软件设计要点 {#软件设计要点}

1)波形表生成

正弦波：查表法生成离散值（预计算4096点）
锯齿波：线性递增/递减生成。

2)用户交互

编码器调节频率/幅度
OLED显示波形参数（频率、幅度、波形类型）。

8.3.2采用单片机与DDS电路设计 {#采用单片机与dds电路设计}

设计基于STM32F103RCT6和AD9834的多功能信号发生器， AD9834是DDS芯片，负责生成波形，而STM32作为主控，处理用户输入和参数设置。AD9834本身支持正弦波、三教波和方波，所以这部分可能直接通过AD9834实现。因为AD9834不支持PWM，需要用STM32的定时器来生成，设置占空比和频率。幅度调节需要可变增益放大器，用运放和数字电位器组合，或者DAC控制运放的增益。

（1）系统架构设计 {#系统架构设计-1}

功能框图如图8.28所示，DDS波形发生单元原理图如图8.29所示，DDS波形生成单元PCB板3D图如图8.30所示，实物图如图8.31所示。

1)主控模块

STM32F103RCT6：负责波形模式选择、频率/幅度参数设置、AD9834控制、PWM生成及用户交互（如按键/LCD显示）。
电源电路：采用AMS1117-3.3 LDO将5V输入转换为3.3V，为STM32和AD9834供电。输入输出端分别并联10μF电解电容和100nF陶瓷电容以抑制噪声。

2）DDS模块

AD9834芯片：通过SPI接口与STM32通信，生成正弦波、锯齿波和矩形波，支持最高37.5MHz输出频率（需外接75MHz时钟源）。
幅度调节：AD9834输出幅度固定（典型值0.6Vpp），需通过外部高速单电源运放（如AD8605）进行增益调整，配合数字电位器（如MCP41010）或DAC调制AD9834的FS端来实现0-3Vpp可调。

3）PWM模块

由STM32定时器（如TIM2）直接生成，通过GPIO输出至缓冲电路，占空比和频率由软件控制。

图8.28基于单片机与DDS的多功能信号发生器功能框图

（2）波形生成原理与参数设计 {#波形生成原理与参数设计-1}

1）正弦波/三角波波/方波（AD9834实现）

频率调节：

AD9834输出频率公式：$f_{OUT} = \frac{f_{MCLK}}{2^{28}}$$\times FREQ_ REG$

其中：

$f_{MCLK}$为外部时钟（如75MHz）；

FREQ_REG为28位频率控制字，频率寄存器的值，范围为 0 到 2^28^ −1。

示例：需输出10kHz时，FREQ_REG=10^4^×2^28^/（75×10^6^）≈35791.394，取整后写入寄存器。

幅度调节：

运放增益公式：𝑉𝑜𝑢𝑡=𝑉𝑖𝑛×(1+𝑅𝑓/𝑅𝑔)

设定𝑅𝑓为数字电位器阻值（0~10kΩ），𝑅𝑔固定（如2kΩ），可实现增益1~6倍，覆盖0-3Vpp输出。

2） PWM波（STM32实现）

频率调节：

定时器频率公式：$f_{PWM} = \frac{f_{sysclk}}{(ARR + 1) \times (PSC + 1)}$

其中：

$f_{sysck}$为系统时钟（72MHz）；

ARR:为自动重装载值；

PSC:为预分频系数。

示例：需输出1kHz时，设PSC=71，则ARR=72×10^6^/(1×10^3^×(71+1))−1≈999。

占空比调节：

通过修改TIMx_CCRx寄存器的值实现，占空比= CRR/(ARR+1)×100%。

（3）关键电路设计 {#关键电路设计}

1) 电源电路

输入：5V直流电源，经AMS1117-3.3降压，输出3.3V（最大电流800mA）。
滤波设计：输入/输出端分别并联10μF（低频滤波）和100nF（高频去耦）电容。

2) 缓冲放大电路

采用AD8605单电源运放，配置为同相放大器，增益由数字电位器控制。
输出端串联50Ω电阻匹配负载，避免信号反射。

3) 时钟电路

AD9834需外接75MHz有源晶振，STM32使用8MHz外部晶振（配合内部PLL倍频至72MHz）。

（4）软件设计要点 {#软件设计要点-1}

1)波形表生成

正弦波：查表法生成离散值（预计算4096点）
锯齿波：线性递增/递减生成。

2)用户交互

编码器调节频率/幅度
OLED显示波形参数（频率、幅度、波形类型）。

图8.29 DDS波形发生单元原理图

图8.30 DDS波形生成单元PCB板3D图

图8.31 基于单片机与DDS设计的多功能信号发生器实物图

实验报告要求

按照模版撰写实验报告，将实验获得的数据和图表资料进行分析整理，加深对理论知识、实验原理、实验过程、实验调试的理解，增强学生将理论知识转化到实践锻炼的能力，同时也可以锻炼学生撰写技术文档的能力。要求每组学生合作撰写一份实验报告，实验报告评分表如表2所示。

表2 实验报告评分表

	总分比例	要求
1.目的、要求	5%	明确说明设计多功能信号发生器的目的，如学习波形产生原理、掌握电路设计与调试技能等。阐述实验对于提升个人实验能力、创新能力和团队协作能力的意义。
2.实验设备、工具、软件	5%	列出实验所需的设备、工具、软件，如直流稳压电源、示波器、万用表、电阻、电容、运算放大器、单片机等。说明器材和工具的选用依据及在使用中的注意事项。
3.实验原理	10%	描述多功能信号发生器的整体设计方案，详细介绍多功能信号发生器的基本原理，包括波形产生的机制、电路结构等。阐述常见波形（正弦波、矩形波、锯齿波）的产生方法及原理。拔高部分写出单片机设计硬件原理图和软件流程图。
4.单元电路设计	20%	详细介绍各个功能模块的设计思路，如振荡器模块、波形选择模块、输出模块等。提供电路设计图，并标注关键元件的参数值。
5.软件仿真	20%	要求提供仿真得到的波形图，展示输出波形的形状、频率、幅度等参数。
6.硬件搭接电路	10%	提供完整美观的硬件搭接图
7.调试、数据分析、误差分析	20%	分析实验结果的准确性，如波形的频率、幅度、形状等参数是否符合设计要求。如实验结果与预期不符，需分析原因并提出改进措施。
8.讨论与思考	10%	讨论实验过程中遇到的问题及解决方案，如电路调试中的难点、编程中的bug等。提出对多功能函数发生器设计的改进意见或创新点，如增加新功能、优化电路设计等。思考实验对于个人实验能力、理论联系实际能力的提升作用。

考核要求与方法（限300字）

本实验设计考核成绩上限为100分，采用项目制管理，建立检查机制，设置时间节点，进行过程考核。实验中注重电路设计、制作、测试、调试能力的培养，设有答辩环节，包含小组自评、教师点评、生生互评，着重考察小组协作能力，考核量化表如表3所示。

表3 考核量化表

考核内容		考核细则	考核方法	分值
实验预习		系统查阅实验相关资料，完成实验预习作业	超星学习通作业	5
面包板部分	方案设计	电路方案设计合理、详细，功能齐全，器件选择正确，参数准确	汇报	10
	Multisim软件仿真	软件仿真图正确，仿真结果满足要求	演示	10
	硬件搭接	面包板实现功能，元件布局整齐美观，性能稳定，测试结果满足要求	演示	20
PCB版部分	版图制作	版图设计标准、美观	演示	10
	硬件焊接	焊接美观、正确	演示	15
	功能	系统正常工作，完成实验要求	演示	10
实验报告		内容完整全面，文字表达通顺。实验原理清晰，单元电路设计详细，软件仿真正确，硬件搭接电路美观，调试、数据分析详细，有讨论与思考	纸质报告	10
小组汇报答辩		制作PPT，详细汇报实验项目。评分包括小组自评、教师点评、生生互评。	答辩	10
拔高部分（加分项）		小组自行绘制嵌入式单片机PCB板，焊接电路，硬件电路正确，实现相关功能	演示	10

项目特色或创新（可空缺，限150字）

设置基础到拔高教学内容，提供分层培养；整合数字化资源，满足学生多样需求；
实验与工程高度结合，将先进软件、技术引入课堂，采用项目制理念培养学生工程索养；
实验内容涵盖电子技术、信号与系统、单片机原理等知识点，实现了知识的跨课程应用；
思政全程融入，实现价值引领；采用科学评价方式，促进学生自主学习，激发学习进阶动力。

多功能信号发生器的设计

实验题目：多功能信号发生器的设计

课程简要信息

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

实验过程及要求（限300字）

相关知识及背景（限150字）

实验环境条件

教学目标与目的（限150字）

教学设计与实施进程

实验原理及方案

8.1基础部分 {#基础部分}

8.2进阶部分 {#进阶部分}

8.3拔高部分 {#拔高部分}

8.3.1 采用嵌入式单片机设计 {#采用嵌入式单片机设计}

（1）系统架构设计 {#系统架构设计}

（2）波形生成原理与参数设计 {#波形生成原理与参数设计}

（3）关键参数设计依据 {#关键参数设计依据}

（4）软件设计要点 {#软件设计要点}

8.3.2采用单片机与DDS电路设计 {#采用单片机与dds电路设计}

（1）系统架构设计 {#系统架构设计-1}

（2）波形生成原理与参数设计 {#波形生成原理与参数设计-1}

（3）关键电路设计 {#关键电路设计}

（4）软件设计要点 {#软件设计要点-1}

实验报告要求

考核要求与方法（限300字）

项目特色或创新（可空缺，限150字）

附件

12.1实验过程部分照片 {#实验过程部分照片}

12.2教学大纲 {#教学大纲}

12.3部分学生实验报告 {#部分学生实验报告}

12.4专家评价 {#专家评价}

12.5学生问卷调查 {#学生问卷调查}

12.6部分学生获奖证书 {#部分学生获奖证书}

12.7教师成果 {#教师成果}

获奖信息

作品信息

作者信息