广州中医药大学

医学信息工程学院

项目设计报告

题目： 低频函数信号发生器（A）

完成日期： 2026 年 1 月 7 日

引　　言

低频函数信号发生器是电子测试领域的基础设备，但传统方案存在明显局限：专用信号芯片（如 ICL8038、MAX038）需依赖可调电阻调节参数，多通道场景下操作繁琐；低成本 DDS 模块难以实现占空比调节与多波形输出，高性能 DDS 则成本过高。

为此，本设计采用 “单片机 + DAC” 方案开发多通道低频函数信号发生器：通过TIMER定时器触发 DMA 与 DAC 转换，结合参数化数组控制波形，实现 4 路独立输出（0.30~3.00V 幅值、0.1~50kHz 频率、0~100% 占空比），支持正弦波、双向锯齿波、方波、三角波共 5 种波形。该方案兼顾了操作便捷性、功能完整性与成本可控性，可满足多支路电路同步测试的实际需求。

第1章　设计过程

1.1　项目总体介绍

本项目以 “低成本、多通道、易操作” 为目标，开发一款基于单片机 + DAC 方案的低频函数信号发生器，用于满足电子电路调试中的多支路同步信号激励需求。

设备以STM32G431CBU6为主控，通过单片机定时器触发 DMA 传输与 DAC 转换，结合预定义波形数组实现信号生成，具备 4 路独立输出通道，支持 0.30~3.00V 幅值、0.1~50kHz 频率、0~100% 占空比的精准调节，可输出正弦波、双向锯齿波、方波、三角波共 5 种波形。

用户既可通过 OLED 屏幕与旋转编码器+按键 进行本地交互，也可通过 Type-C 接口连接上位机，实现远程参数设置与控制。

相比传统信号芯片（需多电位器调节）与高成本 DDS 方案，本设计通过软件参数化控制替代硬件调节，既简化了操作流程，又在控制成本的同时实现了多通道、多波形的功能需求，适配多支路电路同步测试等场景。

1.2　子系统与工作原理

1.2.1 硬件系统原理图设计

（1）主控模块

主控采用 STM32G431CBU6 单片机，基于 Cortex-M4 内核，主频高达 170MHz，内置 12 位双通道 DAC、多路定时器和通信接口（UART、I²C），用于波形生成、参数调节与外设控制。

核心外围电路包括：25MHz 晶振，用于提供高精度时钟；复位电，路确保可靠启动；BOOT0 拨码开关；SWD 调试接口，用于程序烧录与调试。

（2）供电与电源隔离模块

系统通过 Type-C 接口输入 5V 电源，经 LDO 芯片 TPLP2992M5X-3.3 降压至 3.3V 后，通过0Ω 电阻 + 10μH 电感隔离为数字电源（给单片机、OLED 等数字模块供电）与模拟电源（给运放、基准源等模拟模块供电），避免数字电路干扰模拟信号精度。

模拟电源再给 REF5025AIDR 芯片供电，生成 2.5V 精准基准电压，作为 DAC 数模转换的参考电压，保证输出信号的幅值精度。

（3）控制与通信模块

通信链路：上位机通过 Type-C 接口发送 USB 信号，经 CH343P 芯片转换为 UART（TTL 电平）信号，与单片机进行串行通信，实现数据交互。

本地交互模块：单片机采用 I²C 协议与 SSD1306 OLED 显示屏通信，实现通道、波形类型、频率、占空比、幅值等参数的显示与调节。

通过 2 个定时器配置为捕获模式，捕获编码器脉冲信号，结合 2 个按键实现本地参数的快捷调节；Green LED 用于指示系统运行状态，Red LED 用于指示电源通断状态。

（4）信号输出模块

单片机 DAC 引脚输出的原始信号，送入 TLV9152IDR 轨到轨双路运放：其中一路作为电压跟随器稳定信号，另一路将电压映射至固定范围，使输出电流达到至少20mA，最终通过射频接口输出0.30~3.00V 的目标信号。

（5）PCB设计

本项目 PCB 采用四层板设计，相比双层板进一步提升电源稳定性与信号完整性，更适配多通道模拟信号与数字信号混合的系统需求；同时为简化焊接工艺、降低调试难度，所有元器件均布局于 PCB 正面，实现 “单面操作、全面功能” 的设计目标。具体设计如下：

a.功能分区与操作习惯适配设计

将相同功能的元器件集中布局，避免跨区域操作，用户高频操作的控件放在 PCB易触且集中的区域。

b.电源系统：数字 / 模拟隔离设计

将 PCB 划分为数字电源区和模拟电源区，中间用 0Ω 电阻或 10μH 电感连接，实现电源隔离，避免数字电路开关噪声干扰模拟信号；模拟区、数字区保留40mil覆铜距离；模拟地、数字地在 PCB 单点汇接到电源地平面，避免地环路。

c.模拟信号链路

DAC 输出引脚到运放输入引脚的走弧线，远离数字信号走线，走线两旁打GND过孔进行隔离；运放下区域挖空，保证信号完整性。

（6）原理图

1.2.2 单片机软件设计

本项目软件系统基于STM32 HAL库开发，采用模块化设计思想，各功能模块独立封装，通过清晰的数据接口进行交互。软件架构主要分为以下几个核心模块：

（1）主程序框架与任务调度

初始化阶段：

a.HAL库初始化、系统时钟配置；

b.外设初始化：GPIO、DMA、DAC、定时器、UART、I2C等；

c.编码器定时器、串口中断接收；

d.OLED显示初始化；

e.设置初始默认波形参数。

主循环任务（按优先级顺序执行）：

（2）核心波形生成机制

a.波形数据预计算：

根据波形类型、幅值、占空比，预先计算一个周期的波形数据点

数据点存储在uint16_t数组中（12位DAC分辨率，范围0-4095）

支持5种波形：

正弦波：使用ARM DSP库的arm_sin_f32()函数高效计算

方波：根据占空比设置高/低电平点数

三角波：可调占空比的线性上升/下降

锯齿波：两种方向（上升/下降）

b.频率精确控制算法：

关键公式：输出频率 = 定时器时钟 / [(PSC+1) × (ARR+1) × 数组长度]

动态数组长度调整：根据目标频率（0.1Hz-50kHz）自动优化波形

数组长度

高频→短数组（最小32点）：减少DMA传输延迟

低频→长数组（最大1024点）：提高波形分辨率

智能参数搜索：在16位寄存器限制内（PSC、ARR ≤ 65535）寻找最优组合

误差最小化：通过遍历算法找到频率误差最小的参数组合

c.硬件触发流程：

d.多通道独立管理

每个输出通道对应一个独立的数据结构：

为实现 4 路输出通道的完全独立控制，软件层面设计了通道参数结构体（FunStruct），将单通道运行所需的全部参数与硬件资源句柄进行封装，确保每一路通道的波形生成、参数调节、硬件驱动均互不干涉。该结构体核心设计逻辑为：基础参数独立存储、历史状态独立缓存、硬件资源独立映射。

（3）用户交互系统

软件层面围绕 OLED 显示模块、双编码器 + 双按键硬件，设计了分层化、智能化的交互逻辑，核心分为 OLED 显示控制与编码器 / 按键输入处理两大子模块。

a.OLED 显示模块

OLED 显示模块基于 I²C 通信协议与主控单片机交互，软件设计核心围绕 “双模式界面 + 动态交互 + 实时同步” 展开，确保用户操作与视觉反馈的一致性：

① 双模式界面逻辑设计

浏览模式：作为系统默认界面模式，用于全局展示 4 路通道的核心运行参数（通道编号、波形类型、频率、占空比、幅值）。

编辑模式：仅在用户触发 “参数编辑” 指令后激活，用于精准修改单个参数的数值。

② 平滑动画交互设计

为提升操作的视觉体验，软件在参数切换设计了反选动画效果，替代传统的整屏刷新方式

③ 显示与参数实时同步机制

为杜绝 “显示参数” 与 “实际输出参数” 不一致的问题，软件设计了毫秒级实时同步逻辑：同步触发条件、同步执行逻辑

b.编码器与按键处理

针对 “双编码器 + 双按键” 的硬件布局，软件采用 “功能分工 + 智能防误触” 的设计思路，通过差异化的功能定义和算法优化，兼顾操作效率与准确性：

①双编码器功能分工设计

右编码器：核心承担 “参数选择” 与 “数值调节” 功能，适配两种界面模式：在浏览模式下，旋转右编码器可循环切换选中的参数项；在编辑模式下，旋转右编码器可修改当前高亮数字位的数值。

左编码器：核心承担 “数字位切换” 与 “快捷操作” 功能，仅在编辑模式下生效：旋转左编码器可切换当前高亮的数字位

②双按键功能定义

理按键（KEY1、KEY2）作为模式切换与指令确认的核心，功能设计贴合用户操作习惯，逻辑清晰且无冗余：

左键（KEY1）：核心功能为 “确认 / 退出”

右键（KEY2）：核心功能为 “进入编辑 / 切换精度”

③智能消抖算法设计

为解决机械编码器 / 按键因物理抖动导致的误触发问题，软件摒弃传统的 “固定延时消抖” 方案，采用状态机消抖算法，提升输入识别的准确性。

c.串口通信协议

（1）帧格式定义

为简化解析逻辑、提升传输效率，协议采用9 字节固定长度帧结构，具体帧结构如下：

字节位置	功能定义	编码规则
1	帧头	固定为 0x55
2	通道	0x01~0x04
3	波形	0x01~0x05
4	占空比	0x00~0x64
5-7	频率	3 字节无符号整数
8	幅值	2 字节无符号整数
9	帧尾	固定为 0xAA

（2）核心通信机制设计

① 环形缓冲区（ringbuffer.c）：防数据丢失设计

采用 “先进先出（FIFO）” 的读写逻辑，避免因单片机中断响应延迟导致的数据丢失。

② 状态机解析：保证帧完整性

为避免单字节丢失、乱序导致的解析错误，软件采用逐字节状态机解析算法，将帧解析过程划分为多个状态，仅当状态连续跳转完成时，才判定为有效帧。

1.2.3 上位机软件设计

本上位机软件采用PyQt5框架开发，是一款专为四通道函数信号发生器设计的专业控制平台，具备完整的串口通信、参数设置与波形预览功能。软件通过自定义的9字节通信协议与下位机实时交互，支持四通道独立控制，每通道均可单独设置波形类型、频率（0.1Hz-50kHz）、占空比及输出幅度（0.30V-3.00V）。界面采用模块化布局，左侧为通道控制面板，右侧集成高分辨率波形显示区，实时渲染各通道波形变化；软件具备智能防抖机制、参数同步状态指示及设备回显解析功能，实现了上下位机间的双向数据同步，为用户提供了直观、稳定且高效的多通道信号发生器远程控制解决方案。

1.3　项目实施解决的主要问题

1.3.1解决上升过慢问题

在初始设计中，系统采用 LMV358 作为输出驱动运放。该芯片具有低功耗、轨到轨输入输出等优点，适用于一般信号放大场景。然而，在实际测试中发现，当输出信号从 0V 上升至 3.0V 时，上升时间长达约 7.4 μs，无法满足高频率波形对边沿陡峭度的要求，导致波形失真、前沿拖尾明显。

经分析，主要瓶颈在于 LMV358 的压摆率（Slew Rate）仅为 0.35 V/μs，限制了其快速响应大电压变化的能力。

为解决此问题，将输出级运放升级为 TLV9152IDR，其典型压摆率达 21 V/μs，远高于原器件。该芯片具备轨到轨输入输出、低噪声、高带宽特性，更适合高速信号驱动。

更换后重新测试，0V → 3.0V 上升时间缩短至 0.4 μs，显著改善了波形边沿质量，提升了整体信号保真度。

1.3.2 解决波形生成无响应问题

在波形参数重新配置过程中，曾出现新波形生成延迟久的问题 —— 核心原因是系统采用的 32 位定时器未执行清零操作，参数更新后定时器仍沿用原有计数值，需等待计数值溢出后才会触发 DMA 传输与 DAC 转换，导致新波形无法即时生效；通过在每次参数配置流程中新增 “暂停定时器→清空计数值寄存器（CNT=0）→加载新配置参数→重启定时器” 的强制清零步骤，成功将波形更新延迟缩短，实现了参数修改后新波形的即时生成。

第2章　结果与讨论

2.1　实现效果

作品实物：

效果：

方波，1000HZ，占空比50%，幅度值3V

三角波，1000HZ，占空比50%，幅度值3V

锯齿波，1000HZ，幅度值3V

锯齿波，1000HZ，幅度值3V

正弦波，1000HZ，幅度值3V

三角波，1000HZ，占空比78%，幅度值3V

三角波，1000HZ，占空比78%，幅度值1V

三角波，1000HZ，占空比78%，幅度值2V

三角波，2000HZ，占空比78%，幅度值2V

上位机控制：

方波，1047HZ，占空比78%，幅度值1.72V

输出电流：

31mA

 

2.2　实验误差分析

系统时钟偏差：实验系统采用25MHz外部晶振作为时钟基准源，受晶振自身制造工艺限制，其固有频率存在不可避免的微小偏差。该偏差直接导致基于晶振倍频/分频得到的170MHz系统时钟基准无法达到理论精准度，进而影响后续定时器的分频系数设定与计数周期精度，最终造成输出信号频率偏离设计值。

参数量化误差：频率参数计算采用“对数映射+平方根估算”算法，最终需将计算得到的定时器预分频系数（PSC）与自动重装载值（ARR）转换为16位整数以适配硬件配置。由于理论计算值多为非整数，取整过程中会产生不可消除的量化偏差，该偏差叠加后进一步加剧了频率输出的误差。

幅度值误差：由基准源稳定性、数模转换特性及信号放大链路偏差共同导致，是影响信号幅度精准度的主要因素。

基准源温漂误差：实验采用REF5025A高精度基准源提供DAC转换参考电压，虽其标称精度较高，但在实验环境温度波动（±10℃）场景下，会出现明显的输出电压漂移现象。参考基准的不稳定直接导致DAC转换的基准基准出现偏差，进而影响数字量到模拟量的转换精度。

DAC非线性误差：系统选用的STM32G431内置12位DAC存在±1LSB的积分非线性（INL）误差，该误差使得DAC输出的模拟信号无法与输入数字量形成完美的线性对应关系，导致原始转换信号已存在幅度偏差。

运放与电阻链路误差：信号幅度放大链路中，TLV9152IDR运算放大器的实际增益受自身器件特性影响，与理想设计增益存在微小偏差，同时电源纹波会进一步干扰运放输出的稳定性；此外，放大链路中的外部电阻虽选用高精度规格，但标称值与实际阻值仍存在±1%~±5%的固有偏差，且电阻阻值会随环境温度变化产生温漂效应。上述运放偏差与电阻偏差叠加后，导致放大链路的实际放大倍数偏离设计值，无法实现输入信号到目标3.00V输出的精准幅度映射，最终造成输出信号幅度值存在误差。

占空比误差：占空比误差主要源于波形生成机制的固有局限性，即波形采样点的离散性。

实验中输出波形通过固定数量的采样点拟合生成，需将波形周期划分为高电平段与低电平段并分配相应采样点。由于采样点数量为整数且存在固定间隔，其划分比例无法完全贴合理论占空比数值，尤其在采样点总数较少的场景下，这种离散性带来的偏差会更加显著，最终导致输出波形的实际占空比与设计值存在误差。

第3章　总结

本报告围绕“低成本、多通道、高精度”的核心需求，完成了基于单片机+DAC方案的低频函数信号发生器的设计与实现，系统可稳定输出多类型低频信号，适配电子电路调试、多支路同步测试等场景。

在方案选型层面，针对信号芯片——ICL8038、MAX038等多通道调节繁琐、高性能DDS模块成本过高的问题，确定以STM32G431C8U6单片机为控制核心，结合DAC数模转换实现信号生成，通过软件参数化控制替代传统硬件电位器调节，兼顾了功能完整性、操作便捷性与成本可控性，核心硬件成本控制在百元级。

在系统设计与实现方面，硬件部分构建了“供电-控制-交互-输出”完整链路——采用Type-C供电，经LDO降压及0Ω电阻+10μH电感实现数模电源隔离，通过REF5025AIDR提供2.5V精准基准电压；基于I²C协议实现SSD1306 OLED显示，通过编码器+按键完成本地交互，借助TLV9152IDR轨到轨运放实现信号放大与输出；软件部分采用“参数获取-解析-校准-波形生成”闭环逻辑，通过定时器触发DMA传输，结合波形数组实现信号生成，可灵活调节输出参数。

在系统核心性能指标达标方面，具备4路独立输出通道，支持0.1~50kHz频率、0.30~3.00V幅值、0~100%占空比调节，可输出正弦波、双向锯齿波、方波、三角波共5种波形，基本满足多支路同步测试的实际需求。但通过实验验证与误差分析发现，系统仍存在部分短板：低频段波形谐波失真约3%、多通道同步误差约50μs，幅值精度误差±2%；本地交互效率偏低；运放输出驱动能力有限（最大20mA），且存在轻微电源串扰问题。

针对上述问题，已明确后续优化方向：通过提升波形采样点数、增加电源滤波电路、同步DMA触发源等措施提升信号精度；重构OLED交互界面并开发Python可视化上位机，优化人机交互体验；更换大电流运放并增加过流保护电路，升级电源隔离方案以增强系统可靠性。

综上，本设计通过合理的软硬件架构选型与优化，实现了低成本前提下的多通道低频信号发生功能，验证了“单片机+DAC”方案在低频信号发生器设计中的可行性与实用性。后续通过针对性优化，可进一步提升系统性能，拓展其在电子实验、小型项目开发等场景的应用价值。