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。

图1 系统框图

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。

图2 控制连接图

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。

图3 椭圆低通滤波电路

功放模块采用TDA2030作为核心芯片，是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构，具有体积小、输出功率大、失真小、外接元件少等特点，内部具有多种保护电路，工作安全可靠，可以满足系统设计的要求。本文选用12 V单电源供电模式，对输出信号功率进行放大以驱动外围振动实验装置。图4所示为信号放大驱动电路。

图4 信号放大驱动电路

2．4 键盘显示及信号输出端装置

键盘和显示作为人机交互平台，控制键盘设有5个按键，包括两个光标左右移位键、两个数字加减键和一个确认键，以实现对频率的调节设定。显示部分采用LCD1602液晶模块，用于实时显示输出信号的频率值。