2025寒假练 - 用基于STM32的简易示波器/频谱仪/信号发生器学习平台实现音频模拟放大电路特性分析

内容介绍

该项目使用基于STM32G031的测试测量训练平台，设计实现音频模拟放大电路特性分析

一. 项目需求

音频模拟放大电路特性分析

通过芯片的PWM + 板上LPF电路生成频率在DC到20KHz的扫频信号
将该信号通过Test端口连接到测试电路的输入端
STM32G031采集运算放大器U4（LMV358）第7脚输出的信号，对其进行量化处理
在OLED上绘制该电路的幅频、相频特性图

二. 硬件介绍

本次基于STM32G031的口袋仪器训练平台，采用128*128 OLED显示，2个通道的模拟输入 + 一个通道的Micphone语音输入，并有一路信号输出。

STM32G031G8微控制器基于工作频率可达64 MHz的高性能Arm^® Cortex^®-M0+ 32位RISC内核。提供了多个标准通信接口（2个I²C、2个SPI/1个I²S和2个USART）、1个多达19通道的12位ADC (2.5 Msps)，集成了DMA、丰富的系统功能、增强型I/O与外设。

三. 设计思路

通过定时器产生PWM信号，再通过另一个定时器在中断中控制pwm占空比 + 板上LPF电路获得正弦扫频信号
使用两个ADC通道分别采集放大电路输出的信号和原始信号，进行频率和相位差的测量
在OLED上绘制该电路的幅频、相频特性图

四. 软件流程及关键代码

本项目使用STM32CubeMX+Clion环境开发

4.1 SPWM生成正弦波

根据理论，高频pwm波经过LPF滤波后剩余一个根据占空比变化的直流分量，周期性改变其占空比就能得到不同频率的近似正弦波。这里我们采用定时器三生成PWM波，定时器一产生中断，在中断中改变PWM的占空比。占空比存储在初始化时生成的sin_table中，通过跳跃读取改变频率。

 #define N 256
#define ARR_MAX 63
uint16_t sin_table[N];

// PWM频率=500kHz（保持固定）
TIM3->PSC = 0;
TIM3->ARR = ARR_MAX;
TIM3->CCR3 = (ARR_MAX+1)/2;     // 初始占空比50%
// 中断频率=400kHz
TIM1->PSC = 32-1;
TIM1->ARR = 5-1;

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
      if (htim==&htim1) {
    phase_acc += delta_theta;    // 相位累加
    indexx = phase_acc & (N-1);
    TIM3->CCR3 = sin_table[indexx]; // 更新占空比
      }
}

void set_SPWM_freq(uint16_t freq_khz) {
       delta_theta = freq_khz; // 直接设置相位步进值
}

4.2 ADC采集

在ADC采集中，使用两个通道交替采集，并使用dma将数据存入结果数组，使用定时器TIM2控制采集频率

ADC设置中Continuous Conversion Mode和DMA Continuous Requests 都设为disabled，否则会导致一些问题。Number Of Conversion 设为2后即可启用Scan Conversion Mode

 void cycle_adc(void) {
  for(int i=1; i<=20;i++) {//扫频
      float min_in=4096;
      float max_in=0;
      float min_out=4096;
      float max_out=0;
      uint32_t cross_in=0;
      uint32_t cross_out=0;
      uint32_t GATE=2048;
      set_SPWM_freq(i);
      HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_SET);
      HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, adc_buffer, ADC_LENGTH*2);
      HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_RESET);
      //数据处理
      for (int j=1; j<ADC_LENGTH*2-2; j=j+2) {
        if (adc_buffer[j]>max_in) {max_in=adc_buffer[j];}
        if (adc_buffer[j]<min_in) {min_in=adc_buffer[j];}
        if (adc_buffer[j]<=GATE&&adc_buffer[j+2]>=GATE&&cross_in==0) {
          cross_in=j;
        }
      }
      for (int j=0; j<ADC_LENGTH*2-2; j=j+2) {
        if (adc_buffer[j]>max_out) {max_out=adc_buffer[j];}
        if (adc_buffer[j]<min_out) {min_out=adc_buffer[j];}
        if (adc_buffer[j]<=GATE&&adc_buffer[j+2]>=GATE&&cross_out==0) {
          cross_out=j;
        }
      }
    if (gain[i]==0) {
      gain[i]=(max_out-min_out)/(max_in-min_in);
    }
    else {
      gain[i]=((max_out-min_out)/(max_in-min_in)+gain[i])/2;
    }
    if (theta[i]==0) {
      theta[i]=((float)cross_out-(float)cross_in)*i*360/80;
      while (theta[i]>180) {theta[i]=theta[i]-360;}
      while (theta[i]<-180) {theta[i]=theta[i]+360;}
      //if (theta[i]<0) {theta[i]=-theta[i];}
    }
    else {
      for(int j=0; j<=20;j++) {
        theta_temp[j]=theta[j];
        theta[j]=((float)cross_out-(float)cross_in)*j*360/80;
        while (theta[j]>180) {theta[j]=theta[j]-360;}
        while (theta[j]<-180) {theta[j]=theta[j]+360;}
        //if (theta[j]<0) {theta[j]=-theta[j];}
        theta[j]=(theta[j]+theta_temp[j])/2;
      }
      cycle_done=1;
    }

五. 功能展示

可在OLED上显示幅频特性图，相频特性图，原始数据。使用板上的两个按键实现翻页和重新启动测量功能

六. 遇到的问题

本次使用的平台上碰到了一系列问题，大多是由性能问题引起的，这时需要寻找一些替代方法

1. 在中断中索引SPWM表时中本想使用取模运算indexx = phase_acc % N，结果发现中断时间过长导致跑飞。替换为按位与操作indexx = phase_acc & (N-1)后大大缩短了计算时间，此时N必须是2的幂

2. 由于ram不足，并且该MCU没有FPU，在处理数据时没有使用FFT，而是使用检测峰峰值实现增益计算，过零法实现相位差检测，精度较低。通过多次测量提高精度。

3. 由于flash不足无法使用stdio中的sprintf函数，Clion环境下也无法使用Microlib重定向printf，参考了https://www.eetree.cn/project/903中的浮点数转字符串的实现来解决该问题。

七. 感想与体会

本次项目中复习了信号生成，测量，处理的知识。积累了STM32外设使用和有限资源下开发的经验。未来期望再次参加活动，了解并学习更多的知识，掌握更多的技能，开拓电子芯片在生活中运用的视野。