Разработка функционального генератора для лаборатории «Электроника и схемотехника»

Данная работа посвящена разработке функционального генератора сигналов, предназначенного для замены встроенного генератора новых лабораторных стендов фирмы Measlab, используемых в лаборатории по курсу «Электроника и схемотехника», по причине того, что они не обеспечивают достаточно широкий диапазон частот.

В ходе выполнения работы были изучены принципы работы функциональных генераторов сигналов, особенности аппаратной реализации и работы микроконтроллеров семейства STM32. Была разработана программно-аппаратная модель функционального генератора сигналов на базе микроконтроллера STM32F103C8T6 и внешнего ЦАП DAC0808, создано программное обеспечение верхнего уровня на языке Python, обеспечивающее управление и обмен данными с аппаратным модулем через виртуальный COM-порт. Также была реализована управляющая программа нижнего уровня для микроконтроллера, обеспечивающая генерацию сигналов.

Практические результаты работы могут быть применены в учебном процессе и стать основой для модернизации лабораторных стендов в лаборатории «Электроника и схемотехника».

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ ................................ .................. 8

ВВЕДЕНИЕ ................................ ................................ ................................ .......... 9

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛАБОРАТОРНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРАХ СИГНАЛОВ ............. ....... 10

1.1 Функциональные генераторы сигналов ................................ ...................... 10

1.2. Описание лабораторного стенда Measlab и применение функциональных генераторов при исследовании электронных устройств ................................ .. 13

1.3. Выбор элементной базы и обоснование аппаратной платформы ............. 19

1.4. Описание программы интерфейса пользователя ................................ ....... 26

1.5. Постановка задач ................................ ................................ ......................... 27

2. РАЗРАБОТКА И ОТЛАДКА УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ ................. 29

2.1. Обзор среды разработки STM32CubeIDE ................................ ................. 29

2.2. Разработка и отладка схемы алгоритма и программной реализации управляющей программы ........ 31

3. РЕАЛИЗАЦИЯ ИНТЕРФЕЙСА ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ................................ ...... 34

3.1. Обзор среды разработки Pycharm ................................ ............................... 34

3.2. Общие требования к интерфейсу пользователя ................................ ......... 36

3.3. Описание программной реализации интерфейса пользователя................ 38

3.4. Взаимодействие интерфейса пользователя с управляющим микроконтроллером .................. ......... 41

4. РАЗРАБОТКА И ОТЛАДКА МОДЕЛИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА В СРЕДЕ PROTEUS ..... .. 43

4.1 Обзор среды разработки Proteus Design Suite ................................ ............. 43

4.2. Описание и анализ модели функционального генератора в среде Proteus ............................. 44

5. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ...................... 47

5.1. Методика тестирования................................ ................................ ............... 47

5.2. Результаты испытаний и их анализ ................................ ............................ 49

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................ ................................ ................................ .. 59

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ................................ ........... 61

Код управляющей программы для МК ................................ ............................. 62

Код программы интерфейса пользователя ................................ ........................ 77

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Генератор сигналов Г3-108. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. – М.: Завод «Мера», 1990. – 58 с.

2. AКTAKOM AHP-1002. Руководство пользователя. – Москва: ООО «АКТАКОМ», 2019. – 45 с.

3. Oppenheim A. V., Schafer R. W. Discrete-Time Signal Processing. – 3rd ed. – Upper Saddle River: Prentice Hall, 2010. – 845 p.

4. STMicroelectronics. STM32F303xB/C Datasheet. – Rev 6. – 2022. – 181 p.

5. Texas Instruments. DAC0808 / MC1408 8-bit D/A Converter. Datasheet. –Rev I. – 2000. – 20 p.

6. STMicroelectronics. STM32F103x8/B Datasheet. – Rev 20. – 2023. – 142 p.

7. Применение операционных усилителей в схемах цифро-аналоговых преобразователей [Электронный ресурс] // GAW.ru. – URL: h (дата обращения:

05.06.2025).

8. Лутц М. Изучаем Python. – 5-е изд. – СПб.: Символ-Плюс, 2014. – 1592 с.

9. Миллер Дж. Программирование микроконтроллеров STM32 на языке C. – 2-е изд. – М.: ДМК Пресс, 2021. – 640 с.

10. Смит С. В. Руководство по цифровой обработке сигналов: для научных работников и инженеров. – 2-е изд. – СПб.: Питер, 2006. – 672 с.