共振現象是自然界普遍存在的物理現象，隨著共振原理的揭示，共振在生產實踐和科研領域中得到廣泛應用。在大學物理實驗中，共振實驗也是一項重要實驗組成部分，如力學機械彈簧共振實驗、聲學昆特管實驗、光學相干波干涉實驗、電磁場互感諧振實驗等，其中都涉及到共振源本身的設計。在各種共振實驗中，都需要一個高精度、輸出信號頻率連續可調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成和手動機械式調節，原理多是鎖相環頻率合成的方法，存在著產生的信號頻率精度低、頻率可調節范圍小、調節反應慢等缺點。本文介紹了一種基于Cortex-M3(STM32F103C8)最新ARM內核的成本低、功耗低、分辨率高、頻率變換快的直接數字合成(DDS)的共振源。
1 系統結構
根據系統的性能要求，共振源系統主要由計算機控制軟件、USB通信、CPU模塊、信號發生模塊、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為該系統框圖。
系統以高速低功耗STM32F103C8為主控芯片，通過按鍵設置輸出頻率與幅度，并將頻率和幅度值顯示在LCD屏上，并控制DDS芯片AD9850合成相應的信號，該信號經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機在軟件中設置輸出信號頻率和幅度。
2 系統硬件設計
2．1 CPU主控部分
系統采用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內核的ARM。工作頻率可達72 MHz，內置高速存儲器(高達512 kB的閃存和64 kB的SRAM)，豐富的增強I／O端口和聯接到兩條APB總線的外設。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，對中斷事件的響應比以往更迅速，工作電壓可以在2．0～3．6 V之間，能夠實現耗電最優化。在工業實時控制、計算機外部設備、建筑和安防、儀器儀表、通訊設備、家電消費等各個領域應用廣泛。
將STM32F103C8的PA0～PA7口與AD9850的8位并行數據接收端口相連，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 信號發生模塊
信號發生模塊選用DDS芯片AD9850，它是高穩定度的直接數字頻率合成器件，內部包含：輸入寄存器、數據寄存器、數字合成寄存器(D-DS)、10位高速D／A轉換器和高速比較器。AD9850高速的直接數字合成器(DDS)，核心根據設定的32位頻率控制字和5位相移控制字，可產生0．029 Hz～62．5 MHz的正弦信號或者標準的方波信號。該器件可通過并行接口或串行接口實現控制字寫入，以改變輸出頻率和相位。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數據到輸入寄存器后。FQ-UD(頻率更新時鐘)上升沿到40位數據加載到頻率／相位控制寄存器，輸出波形頻率和相位更新一次。AD9850輸出頻率數據F與頻率控制字M(4 bit)之間的關系為
其中，CLKin為外部參考時鐘，本設計采用50 MHz。
2．3 信號濾波及功放模塊
AD9850輸出信號直接由器件內部的D／A轉換合成的，而D／A的位數有限，難免會產生數字量化噪聲，這種量化噪聲進而會造成輸出信號產生畸變。本系統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作為核心芯片，是德律風根生產的音頻功放電路，采用V型5腳單列直插式塑料封裝結構，具有體積小、輸出功率大、失真小、外接元件少等特點，內部具有多種保護電路，工作安全可靠，可以滿足系統設計的要求。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動外圍振動實驗裝置。圖4所示為信號放大驅動電路。
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，控制鍵盤設有5個按鍵，包括兩個光標左右移位鍵、兩個數字加減鍵和一個確認鍵，以實現對頻率的調節設定。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
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點而被廣泛應用于計算機外設、數字設備和儀器儀表等領域。系統的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／相位控制字發送到MCU，用于設置AD9850的輸出頻率，同時AD9850也可以經MCU將輸出頻率發送回PC上位機上，用于對系統監視。
3 系統軟件簡介
系統的軟件包括計算機虛擬儀器以及ARM軟件程序。虛擬儀器采用NI公司的LahWindows開發平臺，虛擬儀器面板用于實現PC機與共振源通信并實時顯示輸出頻率、幅度等信息。ARM軟件部分采用基于ST公司的最新3．0版本的固件庫編寫。此次只介紹ARM軟件部分。
ARM軟件設計采用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、鍵盤輸入和信號發生組成。系統軟件設計流程圖，如圖5所示。
4 實驗
表1為該共振源在設定頻率時相應的輸出頻率。
實驗過程中由于信號發生模塊、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，難免使輸出信號產生小幅度漂移，但是誤差已經控制在設計要求范圍之內。
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 結束語
基于Cortex-M3的數字可調共振源，實現了對信號頻率的連續可調，其輸出信號的穩定性、精確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范圍內的相對誤差控制在0．41％以內，且響應快，滿足物理實驗中心的共振實驗以及超聲波發聲信號源的要求。