摘 要

本次毕业设计的正弦信号系统是以舰船通信为大背景，随着嵌入式系统与通信网络技术的迅猛发展，舰船通信对于控制系统可靠性的要求逐年增高。而DDS技术中出现的模拟信号无疑会降低系统的可靠性，所以综合考虑本次毕业设计的背景和主要目的，本设计采用PWM控制技术进行控制设计。由于PWM的控制方式从处理器到被控信号都是数字形式，所以输出信号非常稳定，平滑度良好，而且我们可以方便地调节PWM的有关参数；比之传统的信号产生方式拥有更好的频率分辨精度，比之DDS技术拥有更好的抗干扰能力，拥有优越性能的PWM控制技术在很多领域都是首选。

在这种大背景下，本文通过当前成熟的嵌入式开发技术，借助STM32F4的硬件平台生成频率和占空比可调的PWM波，并结合模拟电子电路中有关积分电路比较器电路等知识，将生成的PWM波形进行转换，生成三角波、正弦波以及方波等波形。在脉冲宽度调制技术的基础上，生成的方波、正弦波和三角波等可以便利地应用于各种控制系统中。

本文共分为5章进行叙述，第一章为绪论，主要介绍了正弦信号系统的相关研究背景以及设计开发的技术方案和技术思路；第二章阐述了整体的设计思路，将整个系统分为两个部分进行设计；第三章主要介绍了输出PWM功能部分的设计；第四章则详细介绍了波形变换电路的设计及相关仿真结果；最后一章整篇论文进行总结，并对不足提出展望。

关键词：嵌入式系统；脉冲宽度调制技术；波形变换；稳定性

Abstract

The sinusoidal signal system for this graduation project is based on the background of ship communication. With the rapid development of embedded systems and communication network technology, the requirement for the reliability of control system for ship communication has been increasing year by year. The analog signal appearing in the DDS technology will undoubtedly reduce the reliability of the system. Therefore, considering the background and the main purpose of this graduation project, this design adopts PWM control technology to design control system. Since the PWM control mode is digital from the processor to the controlled signal, the output signal is very stable and smooth, and we can easily adjust the relevant parameters of the PWM; it has a better frequency than the traditional signal generation method. The resolution accuracy has better anti-interference ability than the DDS technology. PWM control technology with superior performance is preferred in many fields.

Under this background, this paper uses the current mature embedded development technology to generate PWM wave with adjustable frequency and duty cycle through the hardware platform of STM32F4, and combines the knowledge of the integrated circuit comparator circuit in the analog electronic circuit. The generated PWM waveform is converted to generate triangle, sine and square wave waveforms. Based on the pulse width modulation technology, the generated square wave, sine wave and triangle wave can be conveniently applied to various control systems.

This paper is divided into five chapters. The first chapter is the introduction, which mainly introduces the relevant research background of sinusoidal signal system and the technical scheme and technical ideas of design and development. The second chapter elaborates the overall design thought, and divides the whole system into two parts to carry on the design. The third chapter mainly introduces the design of the part whose function is to generate PWM. The fourth chapter introduces the design of waveform conversion circuit and the simulation results. The last chapter summarizes the whole thesis and puts forward the prospect of the deficiency.

Key Words：Embedded systems; Pulse width modulation；Waveform transformation；Stability

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 产生正弦信号的方法对比 1

1.2 控制技术的对比 1

1.3 PWM实现方法的对比 1

1.4 嵌入式系统方案选择 2

1.5 PWM技术的介绍 2

第2章 总体方案设计 4

2.1 设计方案阐述 4

2.2 本章小结 4

第3章 最小系统和程序设计 6

3.1 STM32F4芯片及其最小系统 6

3.1.1 电源电路 6

3.1.2 晶振电路 7

3.1.3 复位电路 8

3.2 程序设计 9

3.2.1 定时器介绍 9

3.2.2 寄存器介绍 10

3.2.3 PWM产生原理分析 10

3.2.4 程序设计 12

3.2.5 仿真结果 14

3.3 本章小结 16

第4章 波形变换电路设计 17

4.1 积分电路 17

4.2 微分电路 20

4.3 比较器电路 22

4.4 滤波器电路 25

4.5 正方波转换为正负方波 29

4.6 器件选型 30

4.7 本章小结 31

第5章 结论 33

参考文献 34

附录 36

附录A STM32F4单片机的最小系统 36

附录B 主要程序 36

致 谢 38

第1章 绪论

正弦信号在电气专业课的学习中很常见，它是一种非常“纯净”的信号，频率成分单一。而比如三角波、锯齿波、方波、马蹄形波、脉冲波等复杂的信号，都可以视作不同幅值、不同频率的正弦波的叠加，而且运用相关的比如比较器电路、积分电路、微分电路等模拟电子电路的知识，正弦信号可以很方便地与三角波、方波等其他波形进行相互转化，方便电力电子电路的设计和直接利用。而经过设计能够输出正弦信号的系统有着广泛的应用，在多个领域都有着广阔的应用前景。

1.1 产生正弦信号的方法对比

产生正弦信号的方法非常多，目前国内外主流方法按是否需要编程来分，主要分为俩大类：一种是采用纯硬件电路——振荡电路产生正弦波，这类电路包含充放电的元器件，使得电路产生振荡。振荡电路拓扑较为简单，所需要的元器件也少，这大大降低了硬件电路的成本。但是元器件分立，整个系统稳定性较差，产生的波形的频率容易振荡，且能达到的上限频率也较低。易产生波动的工作状态会增加调试的难度；另一种就是通过软硬件结合来产生正弦波，常用的集成芯片有DSP、FPGA、CPLD和单片机等。第二种方法可以轻松实现各种需要的波形的输出，而且控制简单，应用广泛，成熟案例众多。而本次毕业设计需要设计一个正弦信号系统，所以综合考虑采用软件硬件结合的方式来产生正弦波，以设计这个正弦信号系统。

1.2 控制技术的对比

本次毕业设计的正弦信号系统以舰船通信为大背景，随着嵌入式系统与通信网络技术的迅猛发展，舰船通信对于控制系统可靠性要求的逐年增高，DDS技术中出现的模拟信号无疑会降低系统的可靠性，所以综合考虑毕业设计的背景和主要目的，本设计采用PWM控制技术进行控制设计。由于PWM的控制方式从处理器到被控信号都是数字形式，所以输出信号非常稳定，平滑度良好，而且我们可以方便地调节PWM的有关参数；比之传统的信号产生方式拥有更好的频率分辨精度，比之DDS技术拥有更好的抗干扰能力，拥有优越性能的PWM控制技术在很多领域都是首选。

1.3 PWM实现方法的对比

作为性能优越的控制方式，PWM控制技术吸引了很多人研究的目光，这其中也包括PWM的实现方式。目前的主流方式有可编程逻辑器件、专用的PWM集成电路、传统的数字电路以及单片机实现方式等。其中效果最差的为传统的数字电路方式，复杂的电路设计、过大的体积、极易受到干扰的系统等，使得这种方式逐渐被淘汰；专用的PWM集成电路将所需元器件进行了集成，不过适应性差，很难进一步开发；至于可编程逻辑控制器件，效果良好，适应性强，但是美中不足编程实现比较复杂；至于单片机实现方式，从51系列的单片机起，几乎没有单片机没有定时器或者不能输出PWM，尤其是基于ARM内核的嵌入式系统的代表核心器件STM32F4单片机，定时器资源丰富。根据其数据手册显示，STM32F4芯片共有14个定时器。TIM6和TIM7是两个基本定时器的编号，这两个基本定时器只有基本的定时功能，除此之外其他所有的定时器都可以对其操作与PWM输出相关的寄存器。其中以高级定时器TIM1和TIM8的资源最为丰富，这两个定时器最高可以输出7路PWM。而通用定时器TIM2、TIM3、TIM4、TIM5同样可以输出多路PWM，最高达4路。编程方面，该单片机通过编程配置相应的时钟和寄存器即可设置PWM的相应参数，实现相对简单。

1.4 嵌入式系统方案选择

嵌入式系统，即一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，核心是一个或几个微处理器或者单片机，这些微处理或者单片机通常都已经预先编程好，用来执行少数几项任务。通常来说，嵌入式系统建立在处理器、存储器、输入输出（I/O）和软件这四个部分的基础上。近些年来，发展迅速的芯片技术增强了单个芯片的处理能力，也使得芯片越来越向多种接口的方向发展；于此同时，本来纯硬件的实现方式和使用通用计算机实现的应用可以满足的人们对硬件的需要的情况已经不存在了，取而代之的是能够使得产品更可靠、更低廉、更新换代速度更快的嵌入式系统。这吸引了众多芯片生产厂商的注意力，把嵌入式系统推向了时代的风口浪尖。而STM32F4芯片的集成度高，功耗低，集成了很多高级指令，功能强大，由该芯片组成的嵌入式系统功能也更加强大。显而易见，选择单片机实现方式，选择STM32F4芯片，组成相应的嵌入式系统，可以通过编程配置相应的寄存器以轻松实现各种需要的PWM波形的输出。

1.5 PWM技术的介绍

脉冲宽度调制技术（简称PWM）由来已久且发展相对成熟。所谓脉冲宽度调制技术，即运用一定方式以控制逆变电路开关器件有规律地通断，这样输出端即可以得到等幅值的脉冲，这样的脉冲也便于代替一些其他的波形，比如正弦波等。脉冲宽度调制技术利用了微处理器的数字输出功能，使用方便，效果良好，在许多领域都被广泛应用，比如通信场合。不过任谁也无法想到，实用性如此高的PWM控制技术居然曾经一度停滞不前，虽然PWM控制的基石——采样控制理论早已打下，但是大梁——电力电子器件发展水平的缺失，一直阻碍着脉冲宽度调制技术进入实用领域应用层面。而进入上世纪80年代之后，电力电子器件的飞速发展替PWM控制技术打通了飞速发展的道路，而相关技术以及各种新的理论方法的出现和陆续投入应用无疑给脉冲宽度调制技术的发展添砖加瓦。根据控制方式的不同，PWM控制技术的分类如图1.1所示。其中最为常用的为相电压控制PWM中的SPWM法，该法相对成熟，应用比较广泛。具体来说就是生成的PWM波形脉冲宽度按正弦规律变化，但是最终得到的波形理论上与正弦波等效。

图1.1 PWM控制技术的分类

随着电力电子器件突破性地发展，以此为载体的PWM控制技术逐渐吸引了人们的眼球，成为电力电子技术中一颗耀眼的明珠。而且当今科学技术的发展越来越倾向于多学科合作共同发展，可以预见的是结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM研究的一个发展目标及热点。

综上所述，本次毕业设计将基于目前技术成熟的PWM控制技术和功能强大的STM32F4芯片设计一个应用广泛的正弦信号系统。该系统将STM32F4的高速性、稳定性和PWM调制方式的控制灵活性结合起来，并结合模拟电子电路知识生成正弦信号，具有其他方式不可比拟的优势。另外为了提高整个系统的可用度和创新性，另外设计了相应的波形变换电路，比如积分电路、微分电路和比较器电路等，将系统产生的正弦波或者PWM方波转换为三角波和方波等其他波形，可以达到一个系统产生多种波形的效果，十分方便。本次毕业设计有助于理解基于PWM控制的正弦波信号系统的原理和设计以及波形变换的相应电路知识。

第2章 总体方案设计

2.1 设计方案阐述

本次毕业设计的基本内容是设计一个基于STM32F4单片机的PWM正弦信号系统，并另外设计一个波形变换电路，以达到一个系统能够得到三种指定幅度、指定频率波形的目的，以增加毕业设计的创新性。

本次毕业设计的目标为成功设计一个基于STM32F4单片机的PWM正弦信号系统以及三种波形变换电路。经过绪论所述，课题研究的背景、目的和意义、国内外研究现状、课题研究内容、预期目标等已经明确，并根据课题的背景及具体要求，对整个系统的整体思路进行设计，如图2.1所示。

图2.1 整体设计思路

整个设计分为两个部分：

一个部分是芯片STM32F4，单片机正常工作的状态下，通过先后设置系统时钟、配置GPIO模式，然后配置定时器相关寄存器和PWM相关寄存器就能使芯片输出PWM波形；

另一个部分是波形变换电路，作用为变换各个输出端口的波形，所采用的电路将在第4章进行详细讨论。这部分电路结合了模拟电子电路中的相关知识。

如此即可达到设计一个基于目前技术成熟的PWM控制技术和功能强大的STM32F4芯片的应用广泛的正弦信号系统的设计目标。

2.2 本章小结

本章基于整个毕业设计的背景、目的和意义以及预期目标等明确了整个毕业设计的任务，为设计一个基于成熟的嵌入式开发技术和成熟的PWM控制技术的正弦信号系统以及相应的波形转换电路，以达到能够输出指定频率和指定占空比的波形的目的。

本章针对毕业设计整个系统的任务以及要求，将整个毕业设计的任务拆分为两个部分，一个是主控芯片STM32F4部分，硬件主要为单片机STM32F4的最小系统电路部分，软件为输出PWM的设置以及相应程序，主要是设置系统时钟、设置分频系数、设置计数器等几个步骤；另外一个部分是波形变换电路，这部分电路为纯硬件电路部分，并无软件程序，主要为比较器电路、二阶有源滤波器电路和积分电路，其中二阶有源滤波器电路将方波滤波成为正弦波，比较器电路将正弦波转换成为方波，积分电路将方波转换为三角波。

接下来的章节将对两个部分的设计进行详细讲解，包括软件部分和硬件部分。

第3章 最小系统和程序设计

如绪论所述，嵌入式系统是如今的一个应用热点，其功能强大，性能优越，有着非常好的开发基础和开发价值。嵌入式系统的核心为微处理器或者单片机。

比之微处理器，单片机优势明显，体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化，而且使用方便。与不同功能的传感器结合，单片机可以实现诸如电压、电流、功率、流量、频率、湿度、长度、速度、角度、硬度、厚度、元素、压力、温度等物理量的测量，而且得到的结果要比采用电子和数字电路来说更加完美。所以为了更好地完成毕业设计的要求，选择成熟的功能强大的STM32F4系列单片机进行嵌入式系统的设计。

3.1 STM32F4芯片及其最小系统

STM32F4系列单片机是意法半导体公司（ST）推出的一款基于Cortex™-M4F内核的32位高级MCU。该系列高性能微控制器采用了90纳米的NVM工艺和自适应实时存储加速器（ART），并集成了单周期DSP指令和浮点单元FPU，一方面完全释放了Cortex™-M4F内核的性能，能够大大提升程序执行的效率，另一方面提升了单片机的计算能力，使得一些复杂的计算和控制变成了可能。

总体来说，STM32F4芯片是一款性能优越的单片机，足以满足毕业设计的需要。而且由于丰富的定时器资源，单片机在最小系统的支持下，并不需要额外的电路支持就可以实现PWM功能。

单片机的正常工作离不开最小系统的支持。所谓最小系统即是单片机能够正常工作所必需的最少的元件及电路。最小系统电路一般来说分为三个部分：电源电路部分、晶振电路部分、复位电路部分。

3.1.1 电源电路

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