共振是指一個物理系統(tǒng)在特定頻率下，以振幅做振動的情形。此一特定頻率稱之為共振頻率。自然中有許多地方有共振的現(xiàn)象。人類也在其技術(shù)中利用或者試圖避免共振現(xiàn)象。

　　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(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在大學(xué)物理實驗中，共振實驗也是一項重要實驗組成部分，如力學(xué)機械彈簧共振實驗、聲學(xué)昆特管實驗、光學(xué)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(shè)計。在各種共振實驗中，都需要一個高、輸出信號頻率連續(xù)可調(diào)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(gòu)成和手動機械式調(diào)節(jié)，原理多是鎖相環(huán)頻率合成的方法，存在著產(chǎn)生的信號頻率低、頻率可調(diào)節(jié)范圍小、調(diào)節(jié)反應(yīng)慢等缺點。本文介紹了一種基于Cortex-M3（STM32F103C8）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。

　　Cortex-M3是一個32位的核，在傳統(tǒng)的單片機領(lǐng)域中，有一些不同于通用32位CPU應(yīng)用的要求。譚軍舉例說，在工控領(lǐng)域，用戶要求具有更快的中斷速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中斷技術(shù)，完全基于硬件進行中斷處理，多可減少12個時鐘周期數(shù)，在實際應(yīng)用中可減少70%中斷。

　　單片機的另外一個特點是調(diào)試工具非常便宜，不象ARM的仿真器動輒幾千上萬。針對這個特點，Cortex-M3采用了新型的單線調(diào)試（Single Wire）技術(shù)，專門拿出一個引腳來做調(diào)試，從而節(jié)約了大筆的調(diào)試工具費用。同時，Cortex-M3中還集成了大部分存儲器控制器，這樣工程師可以直接在MCU外連接Flash，降低了設(shè)計難度和應(yīng)用障礙。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　根共振源系統(tǒng)主要由據(jù)系統(tǒng)的性能要求，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(shè)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(yīng)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(shè)置輸出信號頻率和幅度。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)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(shè)。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(yīng)比以往更迅速，工作電壓可以在2.0～3.6 V之間，能夠?qū)崿F(xiàn)耗電化。

　　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,AD9850是AD公司生產(chǎn)的時鐘為125 MHz、采用先進的CMOS技術(shù)的直接頻率合成器，主要由可編程DDS系統(tǒng)、高性能模數(shù)變換器（DAC）和高速比較器3部分構(gòu)成，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。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(zhuǎn)換器和高速比較器。AD9850高速的直接數(shù)字合成器（DDS），根據(jù)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的方波信號。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。AD9850輸出頻率數(shù)據(jù)F與頻率控制字M（4 bit）之間的關(guān)系為

　　其中，CLKin為外部參考時鐘，本設(shè)計采用50 MHz。

　　2.3 信號濾波及功放模塊

　　濾波是信號處理中的一個重要概念。濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。

　　經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)富立葉分析和變換提出的一個工程概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。

　　AD9850輸出信號直接由器件內(nèi)部的D／A轉(zhuǎn)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。

　　功放模塊采用TDA2030作為芯片，TDA2030A是德律風(fēng)根生產(chǎn)的音頻功放電路，采用V型5 腳單列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)是德律風(fēng)根生產(chǎn)的音頻功放電路，采用V型5腳單列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)，具有體積小、輸出功率大、失真小、外接元件少等特點，內(nèi)部具有多種保護電路，工作安全可靠，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。本文選用12 V單電源供電模式，對輸出信號功率進行放大以驅(qū)動外圍振動實驗裝置。圖4所示為信號放大驅(qū)動電路。

　　2.4 鍵盤顯示及信號輸出端裝置

　　鍵盤和顯示作為人機交互平臺，控制鍵盤設(shè)有5個按鍵，包括兩個光標(biāo)左右移位鍵、兩個數(shù)字加減鍵和一個確認鍵，以實現(xiàn)對頻率的調(diào)節(jié)設(shè)定。顯示部分采用LCD1602液晶模塊，用于實時顯示輸出信號的頻率值。

　　2.5 USB通信模塊

　　USB ,是英文Universal Serial BUS（通用串行總線）的縮寫，而其中文簡稱為“通串線，是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。

　　通用串行總線（USB）由于具有高傳輸速率、即插即用和易于擴展等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于計算機外設(shè)、數(shù)字設(shè)備和儀器儀表等領(lǐng)域。系統(tǒng)的USB通信部分采用了CPU自帶的USB接口。PC上位機可通過USB接口將AD9850的頻率／相位控制字發(fā)送到MCU，用于設(shè)置AD9850的輸出頻率，同時AD9850也可以經(jīng)MCU將輸出頻率發(fā)送回PC上位機上，用于對系統(tǒng)監(jiān)視。

　　3 系統(tǒng)軟件簡介

　　系統(tǒng)的軟件包括計算機虛擬儀器以及ARM軟件程序。虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計周期的各個環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場的時間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實世界的信號相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們?nèi)魏雾椖啃枰?。虛擬儀器采用NI公司的LahWindows開發(fā)平臺，虛擬儀器面板用于實現(xiàn)PC機與共振源通信并實時顯示輸出頻率、幅度等信息。

　　ARM軟件設(shè)計采用C語言編寫，C語言對機器底層硬件操作方便，模塊化程度高，可讀性與可移植性好。該軟件設(shè)計主要包括兩部分組成：共振源控制程序由初始化模塊、功能模塊組成。初始化模塊用于配置系統(tǒng)時鐘、端口工作方式、嵌套中斷向量控制器。功能模塊是由顯示、鍵盤輸入和信號發(fā)生組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖，如圖5所示。

　　4 實驗

　　表1為該共振源在設(shè)定頻率時相應(yīng)的輸出頻率。

　　實驗過程中由于信號發(fā)生模塊、濾波功放模塊以及外圍電子元件之間連線存在一定電磁干擾，難免使輸出信號產(chǎn)生小幅度漂移，但是誤差已經(jīng)控制在設(shè)計要求范圍之內(nèi)。

　　下圖6和圖7為1 Hz和1 kHz理論頻率下用示波器TDS3201B測試的共振源輸出的波形圖。

   5 結(jié)束語

　　基于Cortex-M3的數(shù)字可調(diào)共振源，實現(xiàn)了對信號頻率的連續(xù)可調(diào)，其輸出信號的穩(wěn)定性、性和模擬類共振源相比都有較大提高。實測表明，該共振源在1～10 kHz范圍內(nèi)的相對誤差控制在0.41％以內(nèi)，且響應(yīng)快，滿足物理實驗中心的共振實驗以及超聲波發(fā)聲信號源的要求。