信号发生器作为一种电子设备，无论是在教学、科研还是在工程技术中，都有着广泛的应用。随着电子技术的发展，集成度高、通用性好、性价比高、设计灵活等特点成为了信号发生器的重要发展方向。本设计从工程应用的角度出发，提出基于STM32F4系列芯片和DAC数模转换器（AD5754）的三相正弦信号发生器系统的设计方案，并针对该方案进行了具体的硬件电路设计、人机操作界面设计和控制系统的软件设计。由单片机控制DAC芯片输出三相正弦信号，利用反馈电路采集信号的幅值、频率和相位差来实现闭环，可通过串口触摸屏调节参数。整个方案在实现的过程中采用软硬件结合的方法，充分利用了硬件的多功能性、高速性和低功耗以及软件的灵活性。在完成系统软硬件设计后，对三相正弦信号发生器进行输出性能测试和结果分析，结果表明，本系统实现了三相正弦信号发生器的基本功能，达到了预期效果，在输出信号波形和装置成本上有很大的优势。
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题的背景和意义 1
1.2 国内外发展状况 1
1.3 本文的主要工作和内容安排 2
2. 系统的总体设计 4
2.1 设计目标 4
2.2 系统的总体设计方案 4
3. 硬件电路设计 6
3.1 系统整体的硬件设计 6
3.2 电源供电系统设计 6
3.2.1电源芯片选型 6
3.2.2 DC±12V电路应用设计 7
3.2.3 DC+5V、+3.3V和+2.5V电路应用设计 8
3.3 MCU最小系统的设计 9
3.4 三相正弦信号产生的设计 10
3.5 信号反馈电路的设计 11
3.5.1 电压反馈电路设计 12
3.5.2 频率与相位差信号反馈 12
3.6 串口屏通信电路设计 14
3.7 保护电路设计 14
4. 软件程序设计 15
4.1 系统程序整体设计 15
4.2系统初始化程序设计 15
4.2.1 系统时钟初始化 16
4.2.2 ADC采集初始化 16
4.2.3
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TIM初始化 17
4.3 三相正弦信号产生的程序设计 17
4.3.1 AD5754控制程序设计 18
4.3.2 正弦波函数的实现 19
4.4反馈信号处理程序设计 21
4.4.1 输出电压反馈处理程序设计 21
4.4.2 频率与相位差反馈程序设计 22
4.4.3 PID调节软件设计 24
4.5 人机交互界面设计 25
4.6保护控制程序设计 26
5. 调试与分析 27
5.1 调试方案 27
5.2 调试过程 28
5.2.1正弦信号输出测试 28
5.2.2反馈信号采集测试 30
5.3 调试结果与分析 31
6. 总结与展望 32
6.1 总结 32
6.2 展望 32
6.3 对环境和社会可持续发展的影响 33
参考文献 34
致 谢 35
附 录 36
附录一 原理图和PCB 36
附录二 实物图 39
附录三 系统核心代码 39
绪论
1.1 课题的背景和意义
信号发生器作为电子系统的重要组成部分，在很大程度上决定了系统的性能。最近几十年以来，由于电子通信与计算机技术的高速发展，使得各类电子系统对信号发生器提出了更高的要求，具体体现在输出信号种类更丰富、输出频率更高、输出频率范围更宽、信号稳定性及分辨率更好、输出波形质量更好、操作使用人性化，在自动控制系统和检测设备中，经常需要用到三相低频信号发生器，现实中多数信号发生器都是单相的，频率有1kHz以上，其在高频段产生正弦信号才稳定性好，可调性强，但如果产生几赫兹到几十赫兹的低频正弦信号，用模拟电路就不易实现, 要产生三相频率和幅值都可调节的信号就更不容易。
早期的信号发生器都是用模拟电路构成的，分别用于产生正弦波与非正弦信号，该信号发生器输出的波形容易受到输入波形的影响，难以实现移相控制，移相角度随着时间和负载等因素的影响会产生漂移频率、幅值的调节均依赖电位器实现，精度难以保证。正弦波通常是通过振荡电路产生，也就没有输入信号，通过电路本身的自激振荡而产生特定频率正弦信号。
自动控制系统所用的三相信号发生器是由数字电路构成的低频信号发生器，虽然性能好但体积较大，价格较贵。所以本文设计一种基于单片机的低频三相正弦信号源，最大特点是易控制、集成度高、运算速度快、体积小和成本低，信号发生器的应用设计是汇集了多种学科知识的一个专门研究领域。
1.2 国内外发展状况
信号发生器最早出现在上世纪的二十年代，是生产实践和科学研究中应用十分广泛的电子仪器之一，这时期的信号发生器主要是对测试进行定性分析。随后，大约再四十年代，出现了可以对测试进行定量分析的标准信号发生器，常用与通信雷达等领域的接收机测试。到了六十年代之后，出现了能够产生简单正弦信号、方波信号等的信号发生器，也称之为函数发生器，其设计原理一般是利用模拟电子技术实现，所以电路复杂，性能不稳定。
随后不久，1971年Intel公司推出了第一款4位微处理器，因为微处理器的出现，信号发生器的功能增加了许多，这时期的信号发生器设计主要是利用微处理器等硬件，通过软件控制来实现，这时期的信号发生器输出波形的频率还比较低，原因主要在于微处理器的工作速度限制，所以解决提高信号输出频率的根本办法还是要对硬件电路进行改进。
目前，国外信号发生器的研究及生产技术已比较成熟，Agilent和Tektronix两大公司在此领域进行了卓有成效的研究和开发，其代表产品无论在技术先进性还是市场占有率方面在全世界都享有较高的声誉。当前市场上的信号发生器大都采用DDS技术，比较具有代表性的有如下一些信号发生器产品：泰克公司的AWG3000函数发生器，具有友好的人机界面，操作方便且携带方便，随机配备功能强大的波形编辑软件ArbExperess，用户通过这个软件不仅可以在PC机上创建和编辑波形，而且可以使用示波器和波形发生器传输波形，以及远程控制AWG仪器。
目前国内市场上高性能三相信号发生器种类很多，很多高校科研院所和仪器厂商也在积极研制与生产基于DDS技术的信号发生器，国内开发的高档信号发生器产品其精密度以及稳定性均满足应用需求，但是高档产品的高价位也使有些用户望尘莫及，如深圳雷力特电测仪器有限公司生产的便携式三相电能校验装置。北京 RIGOL普源精电公司的DG3121A 型信号发生器输出频率高达 120MHz，最小分辨率达 1μHz，具有 调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）、脉宽调制（PWM）、频移键控（FSK），以及输出线性/对数扫描和脉冲串波形功能，结合直接数字频率合成技术（DDS），采用USB Host & Device，RS232，GPIB，LAN多种接口；深圳朗普电子公司生产的 SG4162 系列信号发生器频率 100MHz，分辨力1Hz，上海爱仪公司的 AS1051S 信号发生器频率输出范围 0.1Hz150MHz。本文设计一款频率低、精度较高、成本较低的信号发生器来满足仪器的测试要求，同时信号发生器的高性价比也使其有广泛的应用前景。

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