音频模拟放大电路特性分析

内容介绍

一 - 项目介绍

2024-2025年寒假我参加了电子森林寒假天天练项目，本次项目有多项任务可以选择，我选择了基于STM32的简易示波器/频谱仪/信号发生器学习平台活动中的音频模拟电路放大特性分析项目音频模拟放大电路特性分析，该项目要求

通过芯片的PWM + 板上LPF电路生成频率在DC到20KHz的扫频信号（图2）
将该信号通过Test端口连接到测试电路的输入端（图3中的JP1将1和2短接，2和3断开）
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

经过本次项目本人成功实现，并实现了手动调整频率测试幅值和相位的功能。

二 - 使用到的硬件与软件介绍

硬件介绍来源于https://www.eetree.cn/platform/662

本次项目使用的开发板为基于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。

开发板具有以下硬件：

基于STM32G031微控制器， Arm Cortex M0+内核，主频为64MHz
2个按键 + 1个光电旋转编码器用于控制输入
1个SPI接口的OLED显示屏（128*128分辨率）
1路音频放大电路用于产生ADC的测试信号，并可作为测试电路使用
一个蜂鸣器用于音效输出
1路基于PWM的DDS信号输出，用于产生测试信号（任意波形）
2路增益可调的模拟信号输入，通过12bits ADC采集2mVpp - 30Vpp，带宽为100KHz的模拟信号

这是该训练平台的电路图：

想要了解更详细的信息，请访问上面提供的说明链接。

软件方面使用了stm32cubeide+programer进行编译调试和烧录。

三 - 方案框图和项目设计思路介绍

方案框图：

设计思路介绍：

生成扫频信号：

通过芯片的 PWM + 板上 LPF 电路生成频率在 DC 到 20KHz 的扫频信号。先生成频率表，再根据频率表计算定时器分频系数和重装值，实现不同频率输出。

采集输出：

STM32G031 采集运算放大器 U4（LMV358）第 7 脚输出的信号。将信号保存在数组中等待下一步量化处理。

量化处理：

对采集到的信号进行量化处理，若输出模式为幅值，则直接输出，若为相位，则经过计算之后再输出。

绘制图形：

根据按键的情况切换索引，实现幅频相频，自动手动的切换。

四 - 软件流程图和关键代码介绍

软件流程图：

关键代码介绍：

频率表生成：在 Core/Src/Feq.C 文件中，GenerateFreqTable 函数用于生成频率表，通过线性分布的方式为每个索引分配一个目标频率，范围从 0 到 20000Hz。

// 线性分布示例
void GenerateFreqTable(void) 
{
    const uint32_t step = 20000 / FREQ_TABLE_SIZE;
    for(uint8_t i=0; i<FREQ_TABLE_SIZE; i++)
    {
        freq_table[i].target_freq = (i+1)*step;
    }
}

定时器参数计算：calculate_TIM_params 函数根据目标频率计算定时器的分频系数 psc 和重装值 arr，以实现不同频率的 PWM 输出。

// 计算 PSC 和 ARR
void calculate_TIM_params(uint32_t freq, FreqConfig *params) 
{
    if (freq == 0) 
    {
        params->psc = 0;
        params->arr = 0;
        return;
    }
    uint32_t total_div = CLOCK_FREQ / freq;
    if (total_div <= 65535) 		
    {
        params->psc = 0;
        params->arr = total_div - 1;
    }
    else 
    {
        // 尝试分解总分频系数
        for (uint16_t psc = 1; psc < 65535; psc++) 
        {
            uint32_t arr = total_div / psc;
            if (arr <= 65535 && arr * psc == total_div) 
            {
                params->psc = psc - 1;
                params->arr = arr - 1;
                return;
            }
        }
        // 如果无法分解，使用最大 PSC 和最小 ARR
        params->psc = 65535 - 1;
        params->arr = (total_div / 65535) - 1;
    }
}

PWM 输出配置：TIM3_QuickConfig 函数根据频率索引快速配置定时器 TIM3 的参数，实现不同频率的 PWM 输出。

// 快速配置TIM3
void TIM3_QuickConfig(uint8_t freq_index)
{
    if(freq_index >= FREQ_TABLE_SIZE) return;
    TIM3->ARR=freq_table[freq_index].arr;
    TIM3->PSC=freq_table[freq_index].psc;
    TIM3->CCR3=freq_table[freq_index].arr/2;
}

量化处理：在 Core/Src/main.c 文件的主循环中，根据 Disp_Id 的值对采集到的信号进行不同的量化处理。

if(Disp_Id==0)
{
    Alt=(float)(Map(uhADC[0], 0, 4096, 0, 63));
    Pos_y[0][Pos]=(uint8_t)Alt;
}
else if(Disp_Id==1)
{
    Pos_y[0][Pos]=127-(uint8_t)(phase);
}

当 Disp_Id 为 0 时，使用 Map 函数将 ADC 采集值从范围 [0, 4096] 映射到范围 [0, 63]。
当 Disp_Id 为 1 时，使用 phase 计算量化值。
phase 是通过定时器 TIM2 的计数值计算得到的相位值，具体计算逻辑在 Core/Src/stm32g0xx_it.c 文件的 HAL_GPIO_EXTI_Falling_Callback 函数中：

void HAL_GPIO_EXTI_Falling_Callback(uint16_t GPIO_Pin) 
{
    // ...
    if(GPIO_Pin==Pwn_Plus1_Pin)
    {
        if(tim==0)
        {
            CNT[0]=TIM2->CNT;
            tim=1;
        }
        else
        { 
            CNT[1]=TIM2->CNT;
            tim=0;
            if(CNT[1]>CNT[0])
            {
                Perd=64000000/(CNT[1]-CNT[0]);
                float a1=CNT[2]-CNT[0];
                float a2=CNT[1]-CNT[0];
                phase=360*a1/a2;
            }
        }
    }
    // ...
}

五 - 实物演示

展示相频

随频率变大，相位差也变大

展示幅频

（后面的4791是之前相频演示的led残留）

展示手动

可以通过手动调节测量具体频率信号的特性

六 - 遗憾和不足

由于led板和内存限制，测量扫频时采取了离散的存储数组的方案，先将数值存在数组中，再显示到led上，导致测量幅频时离散状态严重。

七 - 对本次活动的心得体会

首先非常感谢硬禾学堂提供这样一次机会让我学习stm32开发板的有关知识，提供了包括硬件，软件，直播课堂，答疑社群方方面面的众多支持。其次在本次开发过程中，我深刻认识到了单片机的有趣好玩之处，明白了其强大功能，对单片机的特点包括编程学到了许多，最后希望我能在以后的学习中，首先将本次项目继续完善做好，其次是继续深入学习单片机的相关知识，在条件允许的情况下，希望能更多地参加硬禾组织的活动，提升自己！