内容介绍

项目介绍：

使用STM32G031的信号产生以及数据采集功能，通过USB链接电脑，通过电脑发送控制命令，测量板上麦克风发生器部分的幅频特性和相频特性，并将测试数据传递到电脑，在电脑屏幕上通过自己设计的界面将波特图绘制出来。

测试系统构成

被测电路部分

（1）使用电子森林的在线电路仿真工具对被测的模拟电路进行仿真，将仿真的电路以及仿真结果生成短连接，并附在项目报告中。

（2）对比实测的结果以及电路仿真的结果，分析二者之间的差异及原因。

设计思路：

首先需要找到STM32G031示波器板卡的电路图，观察被测电路部分所在位置，以及芯片所在位置，观察电路构成以及接口，方便后面使用STM32CubeMX。

K%QY4P$SPOPXI0%X$(D[J9G.png

电路部分如上图所示，待测电路在左上角，我们需要将PWM信号通过电脑端生成，然后传给端口PB0，PB0会将其按照箭头的方向传播，在经过一个起到滤波作用的电路后，因为来到端口1，这时候我们需要将板卡的12相连，使电路接通，信号流向待测电路，经过两级运放之后，回到PA0，PA0也就是ADC的接口，ADC会帮助我们得到量化的信号，然后通过串口传递给PA3、PA2，再传给USB接口，然后通过数据线传给电脑，电脑计算得出结果，画出波特图。

项目所用硬件介绍：

内核: Arm^® 32-bit Cortex^®-M0+ CPU, 最高频率为64 MHz
存储器：
- 8KBytes SRAM
- 64Kbytes的Flash存储器，并有保护和安全区
12位, 0.4µs ADC (最多达16个外部通道)
- 通过硬件过取样能够达到最多16位
- 转换范围: 0 to 3.6V
11个定时器 (有一个可以支持到128 MHz): 1个用于先进马达控制的16-bit定时器, 一个32位和4个16位的通用定时器, 2个低功耗16位, 2个看门狗, SysTick定时器
通信接口
- 2个I²C总线接口支持快速模式Plus (1Mbit/s)，需要额外的电流供应, 一个支持SMBus/PMBus并能够从Stop模式中唤醒
- 2个USARTs并有着master/slave同步SPI; 一个支持ISO7816接口, LIN, IrDA, 自动波特率监测和唤醒功能
- 1个低功耗UART
- 2个SPIs (32Mbit/s)有4到16位可编程位帧，一个可以与I²S接口复用
开发支持: 串行线调试(SWD)
96位独特的ID

仿真结果如下：

https://www.eetree.cn/short/24oc5vxg

10Hz：

100Hz：

1kHz：

10kHz：

下方的四个示波器分别对应待测电路的3、1、5、7四个接口。

问题：在调试的过程中，我并未发现示波器的不同，可能是示波器的范围没有调整正确。

实测步骤：

一、安装STM32CubeMX并选择对应STM32型号（STM32G0x1G8U6）

二、配置

2.1 配置RCC

LSE选择Crystal/Ceremic Resonator。

图2.1 RCC配置

2.2 配置GPIO

PB0：选择TIM3_CH3。

PA0：选择ADC1_IN0。

图2.2 GPIO配置

2.3 配置TIM3

选择TIM3，将Channel3 配置为PWM Generation CH3。

设置PSC和ARR以生成所需的PWM频率。PSC=71，ARR=999，PWM频率为1kHz。设置CRR=499，即50%占空比。

图2.3 TIM3配置

2.4 配置ADC

选择ADC1，将Channel0（PA0）添加。

设置19.5cycles。

Continuous Conversion Mode选为Enabled。

图2.4 ADC配置

2.5 配置USART

选择USART2，波特率为115200，数据位为8，停止位为1。

图2.5 USART配置

2.6 Generate Code

生成main.c等文件。

2.7 编写代码

在main.c中添加代码如下：

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "my_functions.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <math.h>
#include "stm32g0xx_hal_adc_ex.h"
/* USER CODE END Includes */

/* USER CODE BEGIN PV */
uint16_t adc_value;
float freq = 1000.0;     // 
float ref_value = 2048.0; 
#define BODE_MSG_LEN 64
char msg[BODE_MSG_LEN];
/* USER CODE END PV */

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);
  float vrefint_value = 3.0 * (*VREFINT_CAL_ADDR) / 4095.0; 
  ref_value = 4095.0 * 1.2 / vrefint_value;
  /* USER CODE END 2 */

  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */
    
    /* USER CODE BEGIN 3 */
		HAL_ADC_Start(&hadc1);
    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10) == HAL_OK) {
				adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
				//char msg; 
        int required = snprintf(msg, sizeof(msg), "Freq:%.1f, Gain:%.2fdB\r\n", 
						freq, 20*log10f(adc_value/ref_value));
				if (required > 0 && required < sizeof(msg)) {
						HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)msg, (uint16_t)required, 100);
				}
				//HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)msg, strlen(msg), 100);
				HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, (adc_value > 2048) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
    }
    HAL_Delay(500);
  }
  /* USER CODE END 3 */

幅频特性测量：

Vin：PWM经过滤波后的等效正弦波峰峰值

Vout：通过PA0的ADC值换算，

相频特性测量：

已在上述代码中体现。

在\Core\Inc中添加my_functions.h，代码如下：

/* my_functions.h */
#ifndef __MY_FUNCTIONS_H
#define __MY_FUNCTIONS_H

#include "main.h"  // 

//
void ProcessADCData(uint16_t raw_value);
void UART_SendFloat(float value);

#endif /* __MY_FUNCTIONS_H */

在\Core\Src中添加my_functions.c，代码如下：

/* my_functions.c */
#include "my_functions.h"
#include <stdio.h>  


void ProcessADCData(uint16_t raw_value) {
 
  static float filtered_value = 0;
  filtered_value = 0.9 * filtered_value + 0.1 * raw_value;
}


void UART_SendFloat(float value) {
  char buffer;
  snprintf(buffer, sizeof(buffer), "Voltage: %.2fV\r\n", value * 3.3f / 4095.0f);
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buffer, strlen(buffer), 100);
}
void SaveToSD(float freq, float gain, float phase) {
    FIL file;
    UINT bw;
    char buf;
    sprintf(buf, "%.1f,%.2f,%.1f\n", freq, gain, phase);
    f_open(&file, "bode.csv", FA_WRITE | FA_OPEN_APPEND);
    f_write(&file, buf, strlen(buf), &bw);
    f_close(&file);
}

2.8 传输数据

然后进行程序烧录、数据采集和传输、数据处理和绘制波特图。

烧录使用ST-LINK/V2调试器，使用Python处理数据，生成波特图。

python代码如下：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 加载带相位的数据
data = np.loadtxt('bode.csv', delimiter=',', dtype=[
    ('freq', 'f4'), ('gain', 'f4'), ('phase', 'f4')])

plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.subplot(211)
plt.semilogx(data['freq'], data['gain'], 'b-', label='Measured')
plt.title('Realistic Bode Plot')
plt.ylabel('Gain (dB)')
plt.grid(True, which='both', ls='--')
plt.ylim(-40, 10)

plt.subplot(212)
plt.semilogx(data['freq'], data['phase'], 'r-')
plt.xlabel('Frequency (Hz)')
plt.ylabel('Phase (deg)')
plt.yticks(np.arange(-360, 91, 45))
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.savefig('bode_actual.png', dpi=300)

三、结果与分析

图3.1 波特图

分析：

1. 元件非理想特性：电容、电阻存在误差，运放可能存在限制。

2. 测量误差

3. 电路寄生参数：走线电感、电容可能存在，导致改变反馈网络阻抗，增益下降。

4. 高频时差异明显：在1MHz时，增益仿真值是-25dB，实测值是-35dB，可能是运放带宽模型过于理想。相位仿真值是-180°，实测值是-210°，可能是寄生电感导致相位滞后。增益也存在差异，可能是电源噪声导致的。

感想：

这是我第一次接触STM32，没有任何的基础。其中把自己做的每一步都写进了报告里，是因为这些都是我一点点问同学查博客才了解的，从最开始的我连电路图在哪里看都不知道，到后面输出测量的波特图，过程真的学习到了很多，也让我认识到了FPGA这块的神奇之处。