原標題：基于DAC擬合輸出的可編程交流電源設計方案

基于STM32F103ZET6+SHM1150Ⅱ DAC擬合輸出的可編程交流電源設計方案

一、引言

隨著電子技術的不斷發展，尤其是在測試設備和電源系統領域，可編程交流電源的應用變得越來越廣泛。這類電源能夠提供可調幅度、頻率以及波形的交流電輸出，在實驗室、電氣工程、自動化測試等領域有著重要的應用。傳統的交流電源設計往往依賴于硬件組件，如變壓器和機械開關，而隨著數字化和微控制器技術的發展，現代可編程交流電源的設計逐步轉向基于微控制器的數字信號處理和生成技術。

本方案采用STM32F103ZET6微控制器和SHM1150Ⅱ數模轉換器（DAC），結合數字信號處理技術實現一個可編程交流電源的設計。該設計不僅能提供精確的交流電輸出，而且具備高靈活性和精度，能夠根據不同需求調整輸出的波形、幅度和頻率。

二、設計目標與要求

本設計的主要目標是構建一個能夠精確控制交流電輸出的系統。具體要求包括：

1. 輸出的交流電頻率可調，范圍從1Hz到100kHz。

2. 輸出波形可以是正弦波、方波、三角波等，能夠通過用戶輸入選擇。

3. 輸出幅度可調，幅度范圍從0V到24V。

4. 高精度和低失真，能夠在較寬的頻率范圍內保持穩定性。

三、主要硬件組件及其作用

1. STM32F103ZET6 微控制器

STM32F103ZET6是一款基于ARM Cortex-M3內核的32位微控制器，具有較強的計算能力和靈活的外設配置，適用于嵌入式控制系統。其主要特點包括：

• 72MHz主頻，具有較高的處理速度。

• 512KB閃存和64KB SRAM，足以存儲程序代碼和實時數據。

• 豐富的外設接口，包括多個定時器、PWM輸出、SPI、I2C等，適合各種控制應用。

在本設計中，STM32F103ZET6主要負責：

• 生成和處理控制信號，調節波形、頻率和幅度。

• 與DAC模塊（如SHM1150Ⅱ）進行通信，控制輸出的波形和幅度。

• 通過外部用戶接口（如LCD顯示屏、按鍵等）與用戶進行交互。

• 實現系統的總體控制，包括啟動、停止、故障檢測等功能。

2. SHM1150Ⅱ DAC模塊

SHM1150Ⅱ是一款高精度的數模轉換器，能夠將數字信號轉換為精確的模擬信號。在本設計中，它的作用是將STM32F103ZET6生成的數字波形數據轉換為模擬信號，進而控制可編程交流電源的輸出。SHM1150Ⅱ具有以下特點：

• 高分辨率，能夠精確控制輸出波形的幅度和細節。

• 支持多種輸出波形格式，包括正弦波、方波和三角波等。

• 具有低失真、低噪聲的特性，確保交流電源輸出的波形純凈、穩定。

在該系統中，SHM1150Ⅱ模塊通過SPI或I2C與STM32F103ZET6進行數據傳輸，接收來自微控制器的數字波形數據，并生成相應的模擬電壓信號輸出。

3. 電源驅動與輸出模塊

為了驅動負載并輸出所需的交流電，設計中需要一個高效的功率放大器電路。這個部分負責將DAC輸出的模擬信號放大至所需的電壓和電流水平，同時保持較低的失真。

功率放大器的設計通常涉及以下幾個方面：

• 電壓增益的設計，以確保輸出的交流電幅度在要求的范圍內。

• 輸出濾波器的設計，去除高頻噪聲，確保輸出波形的純凈度。

• 保護電路的設計，包括過壓保護、過流保護等，以確保系統在長期工作時的穩定性和安全性。

四、設計方案的實現

1. 波形生成與調制

STM32F103ZET6通過數字信號處理算法生成不同類型的波形，如正弦波、方波、三角波等。為了實現波形的可調頻率，微控制器使用定時器模塊精確控制波形的周期和頻率。

• 正弦波生成： 正弦波通常是通過查找正弦函數表或使用數值計算方法生成的。STM32F103ZET6可以預先存儲一組正弦波數據，通過DAC輸出不同的采樣值，生成連續的正弦波信號。

• 方波和三角波： 方波和三角波的生成相對簡單，主要通過定時器控制頻率，并通過PWM輸出或者通過DAC生成對應的波形。

通過這些方法，STM32F103ZET6能夠生成多種頻率和波形的交流電信號，滿足不同實驗和應用的需求。

2. 波形幅度控制

幅度的控制通過DAC的輸出電壓來實現。STM32F103ZET6可以通過控制DAC的輸出值來調整信號的幅度。通過設置DAC輸出的最大電壓值，系統可以精確地調整輸出的交流電幅度。

在實際應用中，幅度控制的精度非常重要，特別是在需要提供穩定電壓輸出的情況下。通過高精度的DAC模塊，可以實現細粒度的幅度調節，滿足精密測試需求。

3. 系統用戶接口

為了方便用戶操作和調整系統參數，設計中還包括了用戶接口模塊。用戶可以通過LCD顯示屏查看當前的輸出波形、頻率、幅度等參數，并通過按鍵或旋轉編碼器調整這些參數。

此外，還可以考慮加入串口通信功能，允許通過PC或移動設備遠程控制和監控交流電源的輸出。

4. 輸出濾波與保護

為了確保輸出波形的質量，設計中還需要對輸出信號進行濾波，去除高頻噪聲。通常，低通濾波器用于平滑DAC輸出的信號，減少高頻成分，確保輸出的交流電是純凈的正弦波或其他波形。

在保護方面，設計需要加入過壓、過流保護電路，避免由于負載變化或系統故障引起的損壞。

五、系統調試與優化

在實現初步設計后，系統進入調試階段。調試過程中需要關注以下幾個方面：

1. 波形精度： 確保DAC輸出的波形能夠與預期相符，且沒有明顯的失真。

2. 頻率穩定性： 檢查系統在不同頻率下的輸出穩定性，確保頻率調整過程中沒有抖動或不穩定現象。

3. 幅度控制： 調試幅度控制系統，確保在不同輸出幅度下系統能夠正常工作，并且幅度調節線性。

4. 保護功能： 測試過壓、過流保護功能是否能夠正常工作，避免電源或負載損壞。

六、總結

本設計方案基于STM32F103ZET6微控制器和SHM1150Ⅱ DAC，采用數字信號處理和精確控制技術，成功實現了一個可編程交流電源。該系統具有高精度、可調性和穩定性，能夠滿足實驗室、測試設備等多個領域的需求。通過不斷優化硬件和軟件，系統的性能可以得到進一步提升，從而實現更加復雜和精密的電源設計目標。