FastBond挑战部分—-基于 STM32F103C8T6 的多功能电子仪器

内容介绍

一、项目主题与项目介绍

1.1 项目主题

本次设计以STM32F103C8T6为主控芯片，完成一款集-3.3V~+3.3V 连续可调直流电源、DDS 信号发生器、数字示波器、可编程 PWM 波输出、于一体的综合电子测量与调试仪器，可满足电子实训、电路调试、信号测量、偏置电压供给等多场景使用需求。

1.2 核心功能介绍

-3.3V~+3.3V连续可调直流电源
由 MCP4725 DAC 输出基准电压，经运放电平抬升与放大，配合负压供电电路，实现正负对称、连续可调的直流稳压输出，可作为运放偏置、基准电压、小信号调试电源使用。
DDS 信号发生器
采用 AD9834 芯片实现正弦波、三角波、方波输出，频率与幅值可通过按键程控调节，满足基础信号激励需求。
数字示波器功能
对外部输入信号进行分压、程控放大、ADC 采样，在 TFT 屏上实时绘制波形，支持时基与增益调节。
PA8 引脚可编程 PWM 输出
利用 STM32 定时器 TIM1_CH1 通道，在 PA8 口输出频率、占空比均可调的方波 PWM 信号，可用于电机调速、LED 调光、数字调制等场景。
人机交互与辅助功能
5个独立按键实现模式切换与参数调节，TFT LCD 实时显示波形、电压、频率、占空比等参数，具备硬件自检功能。

二、使用到的所有硬件详细介绍

2.1 主控核心模块

STM32F103C8T6：Cortex-M3 内核，最高 72MHz 主频，64KB Flash，20KB RAM；负责按键扫描、屏幕刷新、外设通信、AD9834 配置、ADC 采样、DAC 输出、PWM 波形生成、模式调度等全部逻辑控制。

2.2 信号发生器模块

AD9834：DDS 直接数字频率合成芯片，支持正弦 / 三角 / 方波，最高输出频率 12.5MHz，SPI 通信控制；
OPA2197：高精度运算放大器，用于信号缓冲、放大、滤波；
CD74HC4051：8 通道模拟开关，实现信号幅值多档位切换；
无源 RC 低通滤波器：滤除 DDS 输出的高频量化噪声。

2.3 示波器采集模块

MCP41010：10kΩ 数字电位器，SPI 控制，实现程控增益调节；
LMV331：高速电压比较器，用于信号边沿触发；
TLP172GM：模拟开关，实现交直流耦合切换；
电阻分压网络：1/10 量程衰减，扩展测量范围；
板载 12 位 ADC：完成模拟信号数字化采集。

2.4 PA8 PWM 输出硬件

GPIO PA8：复用为 TIM1_CH1 通道，推挽输出；
限流电阻：保护 IO 口，防止短路损坏；
输出排针：引出 PWM 信号，方便外部测量与使用。

2.5 -3.3V~+3.3V可调电源模块

MCP4725：12 位 I2C 接口 DAC，输出 0~3.3V 基准电压；
OPA2197：精密运放，构成电平平移与放大电路，将单极性 DAC 电压转换为双极性 ±4.4V；
ICL7660：电荷泵负压芯片，提供 - 5V 负压供电，为双极性输出提供基础；
精密电阻网络：设定放大倍数与电平偏移比例，保证输出范围精准落在 - 4.4V~+4.4V；
滤波电容：降低输出纹波，提升电压稳定性。

2.6 系统电源模块

LM1117-5.0：将 12V 输入转为 + 5V，为运放、模拟芯片供电；
LM1117-3.3：将 + 5V 转为 + 3.3V，为 STM32、数字芯片供电；
ICL7660：生成 - 5V，供给运放负电源，支持双极性信号处理；
滤波与去耦电容：抑制电源噪声，保证模拟电路精度。

2.7 人机交互模块

独立按键 5 个：模式切换、步进切换、步进选择、数值加 / 减；
TFT LCD 显示屏：实时显示波形、电压值、频率、占空比、工作模式。

三、方案框图和项目设计思路介绍

3.1 系统整体方案框图

3.2 项目整体设计思路

电源优先设计原则
先完成系统固定电源（+5V/+3.3V/-5V）设计，再基于此搭建 -3.3V~+3.3V 可调电源，保证所有模拟电路拥有稳定、低噪声供电。
模块化硬件划分
按功能划分为：主控最小系统、信号发生、信号采集、PWM 输出、可调电源、人机交互六大模块，各模块独立布线、独立调试，减少相互干扰。
软件状态机调度
系统采用多模式互斥运行机制，同一时刻只运行一种主功能，通过按键切换：信号源→示波器→PWM 输出→可调电源→自检，避免资源冲突。

四、原理图和 PCB 展示及介绍

4.1 原理图结构与功能分区使用KiCad进行原理图和PCB绘画

本次原理图共分为 3 大页面，所有模块清晰划分：

第一页：主控与系统电源
包含 STM32 最小系统、复位电路、时钟电路、12V 输入、LM1117-5V/3.3V、ICL7660 负压电路和MCP4725 DAC + 运放双极性转换电路，实现 -3.3V~+3.3V 输出；是整个系统的供电与控制核心。
第二页：DDS 信号发生器
AD9834 及其外围电路、RC 滤波电路、运放放大电路、模拟开关档位切换电路。
第三页：示波器采集通道
交直流耦合切换、电阻衰减、MCP41010 程控放大、比较器触发、ADC 采样输入电路。

4.2 PCB 打版版本与重打原因

本次项目共打样3 版 PCB，迭代过程如下：

（1）V1.0 版本：2 层板

设计目标：验证基础功能可行性；
存在问题：
① 模拟地与数字地完全共地，电源噪声严重，示波器波形杂波大；
② 可调电源模块布线过密，-5V 与 + 5V 线间距过小，出现电压漂移、输出不对称；
③ AD9834 高频信号线无阻抗匹配，10MHz 以上波形失真；
④ PWM 输出线靠近模拟电路，干扰可调电压精度；
结论：功能可勉强实现，但性能差，无法满足稳定使用要求，必须重打。

（2）V2.0 版本：4 层板

叠层结构：顶层信号 → 内层地层 → 内层电源层 → 底层信号；
优化内容：
① 严格分割模拟地与数字地，单点共地，降低串扰；
② 可调电源模块单独布局，远离高频信号线，增加滤波电容；
③ AD9834 布线做等长与 50Ω 阻抗匹配；
④ PWM 输出增加 RC 滤波，布线远离运放与 DAC；
存在问题：可调电源零点偏移仍偏大，-3.3V~+3.3V端线性度不一致，运放反馈电阻布局不合理。

（3）V3.0 版本：最终定型 4 层板

优化内容：
① 微调可调电源运放反馈电阻位置与布线，提升正负电压对称性；
② 增加多处去耦电容，进一步降低电源纹波；
③ 优化接口丝印与测试点，方便调试与测量；
④ 修复 V2.0 中轻微的线宽与间距问题，提升可靠性；
最终效果：所有功能稳定，可调电源精度高，波形无明显噪声，PWM 与各模块互不干扰。

五、调试软件、软件流程图和代码位置说明

5.1 调试与开发软件

开发环境：Keil MDK v5（ARMCC V5.06 build 528）
下载调试器：ST-Link V2
硬件调试工具：数字示波器、万用表、台式直流电源
通信协议：SPI（AD9834、MCP41010）、I2C（MCP4725）、ADC、TIM1（PWM）

5.2 详细软件执行流程图

5.3 代码存放位置说明

5个按键菜单逻辑代码，按键1切换模式，按键2切换调节对象，在DDS发生器可以自检，按键3各种模式的步进调节，按键4和5实现加减

void Key_Process(void) {
  //自检模式按键逻辑
	  if(self_test_running) {
        // 只检测按键2
        if(KEY_Scan(2) == KEY_PRESSED) {
            // 退出自检模式
            SelfTest_Exit();
            // 将调节项切换到频率（退出后的默认选项）
            dev_params.curr_adj = ADJ_FREQ;
            dev_params.step_gear = 0;
            LCD_Display_All();
            delay_ms(100);
        }
        // 其他按键不做任何响应，直接返回
        return;
    }
		
				// 示波器模式独立按键处理
//static uint8_t osc_adj_mode = 0;   // 0:增益调节, 1:时基调节

if (dev_params.curr_mode == MODE_OSCILLOSCOPE) {
    // KEY2: 切换调节模式（增益 <-> 时基）
    if (KEY_Scan(2) == KEY_PRESSED) {
        osc_adj_mode = !osc_adj_mode;
        LCD_Display_All();
        delay_ms(100);
        return;
    }
    
    // KEY3: 步进选择（仅增益模式有效，时基模式可固定步进或循环档位）
    if (KEY_Scan(3) == KEY_PRESSED) {
        if (osc_adj_mode == 0) {
            step_index = (step_index + 1) % STEP_COUNT;
        } else {
            timebase_index = (timebase_index + 1) % TIMEBASE_COUNT;
            timebase = timebase_steps[timebase_index];
            // 重新配置 ADC 采样率以实现时基变化（见下文）
            SetSampleRateByTimebase(timebase);
        }
        LCD_Display_All();
        delay_ms(100);
        return;
    }
    
    // KEY4: 增加当前调节项的值
    if (KEY_Scan(4) == KEY_PRESSED) {
        if (osc_adj_mode == 0) {
            float step = step_values[step_index];
            float new_gain = current_gain + step;
            SetGainAndUpdate(new_gain);
        } else {
            // 时基增加（时间窗口变大，采样率降低）
            if (timebase_index < TIMEBASE_COUNT-1) timebase_index++;
            timebase = timebase_steps[timebase_index];
            SetSampleRateByTimebase(timebase);
        }
        LCD_Display_All();
        delay_ms(100);
        return;
    }
    
    // KEY5: 减少当前调节项的值
    if (KEY_Scan(5) == KEY_PRESSED) {
        if (osc_adj_mode == 0) {
            float step = step_values[step_index];
            float new_gain = current_gain - step;
            SetGainAndUpdate(new_gain);
        } else {
            if (timebase_index > 0) timebase_index--;
            timebase = timebase_steps[timebase_index];
            SetSampleRateByTimebase(timebase);
        }
        LCD_Display_All();
        delay_ms(100);
        return;
    }
}
		  // KEY1 模式切换保留原有功能，交给通用逻辑		
		float step = Get_Curr_Step();
		if(KEY_Scan(1) == KEY_PRESSED) {
    // 保存旧模式
    WorkMode old_mode = dev_params.curr_mode;
    dev_params.curr_mode = (WorkMode)((dev_params.curr_mode % 6) + 1);
    
    // 如果从示波器模式切换到其他模式，停止示波器ADC
    if(old_mode == MODE_OSCILLOSCOPE && dev_params.curr_mode != MODE_OSCILLOSCOPE) {
        OSC_ADC_DMA_Stop();
    }
    // 如果从其他模式切换到示波器模式，初始化示波器ADC
    if(old_mode != MODE_OSCILLOSCOPE && dev_params.curr_mode == MODE_OSCILLOSCOPE) {
        OSC_ADC_DMA_Init();
    }
  

    dev_params.curr_adj = Filter_AdjTarget(dev_params.curr_mode, dev_params.curr_adj);
    dev_params.step_gear = 0;
    Update_DDS_Hardware();
    LCD_Display_All();
    delay_ms(100);
}
		
		 if(KEY_Scan(2) == KEY_PRESSED) {
    AdjTarget next_adj;
    switch(dev_params.curr_mode) {
        case MODE_POWER:
            next_adj = ADJ_POWER;
            break;
        case MODE_SINE_WAVE:
        case MODE_TRIANGLE_WAVE:
            // 正弦波/三角波：频率 -> 增益 -> 自检 -> 频率
            if(dev_params.curr_adj == ADJ_FREQ)
                next_adj = ADJ_GAIN;
            else if(dev_params.curr_adj == ADJ_GAIN)
                next_adj = ADJ_SELF_TEST;
            else if(dev_params.curr_adj == ADJ_SELF_TEST)
                next_adj = ADJ_FREQ;
            else
                next_adj = ADJ_FREQ;
            break;
        case MODE_SQUARE_WAVE:
            // 方波：只允许频率和增益循环（无自检）
            if(dev_params.curr_adj == ADJ_FREQ)
                next_adj = ADJ_GAIN;
            else if(dev_params.curr_adj == ADJ_GAIN)
                next_adj = ADJ_FREQ;
            else
                next_adj = ADJ_FREQ;
            break;
        case MODE_PWM:
            next_adj = (dev_params.curr_adj == ADJ_FREQ) ? ADJ_DUTY : ADJ_FREQ;
            break;
        case MODE_OSCILLOSCOPE:
        default:
            next_adj = ADJ_NONE;
            break;
    }
    // 如果即将退出自检模式，调用退出函数
    if(dev_params.curr_adj == ADJ_SELF_TEST && next_adj != ADJ_SELF_TEST) {
        SelfTest_Exit();
    }
    // 如果即将进入自检模式，调用进入函数
    if(next_adj == ADJ_SELF_TEST && dev_params.curr_adj != ADJ_SELF_TEST) {
        SelfTest_Enter();
    }
    dev_params.curr_adj = next_adj;
    dev_params.step_gear = 0;
    LCD_Display_All();
    delay_ms(100);
}
 
   if(KEY_Scan(3) == KEY_PRESSED) {
    if(dev_params.curr_adj == ADJ_GAIN) {
        // 仅当处于 DDS 波形模式时，才允许修改增益
        if(dev_params.curr_mode >= MODE_SINE_WAVE && dev_params.curr_mode <= MODE_SQUARE_WAVE) {
            dev_params.gain_val = (dev_params.gain_val % 3) + 1;
        }
        // 如果不在波形模式，不执行任何操作（或可自动切换调节项，根据需要）
    } else {
        dev_params.step_gear++;
    }
    LCD_Display_All();
    delay_ms(100);
}
    
    if(KEY_Scan(4) == KEY_PRESSED) {
        switch(dev_params.curr_adj) {
            case ADJ_POWER:
                // 你的原逻辑
                dev_params.power_val += step;
                break;
        case ADJ_FREQ:
    dev_params.freq_val += (u32)step;
    // 更新 DDS 频率
    if(dev_params.curr_mode >= MODE_SINE_WAVE && dev_params.curr_mode <= MODE_SQUARE_WAVE) {
        AD9834_Set_Freq(FREQ_0, dev_params.freq_val);
    }
    if(dev_params.curr_mode == MODE_PWM)
        PWM_Update(dev_params.freq_val, dev_params.duty_val);
    
    // 如果当前处于自检模式，自动配置 ADC 采样率
    if(self_test_running) {
        ADC_AutoConfigByFreq(dev_params.freq_val);
    }
    break;
            case ADJ_DUTY:
                // 你的原逻辑
                dev_params.duty_val += step;
                // 仅新增：PWM模式下更新占空比（不影响其他模式）
                if(dev_params.curr_mode == MODE_PWM) {
                    PWM_Update(dev_params.freq_val, dev_params.duty_val);
                }
                break;
            case ADJ_GAIN:
                dev_params.gain_val = (dev_params.gain_val % 3) + 1;
                if(dev_params.curr_mode >= MODE_SINE_WAVE && 
                   dev_params.curr_mode <= MODE_SQUARE_WAVE) {
                    AD9834_SetGain(gain_map[dev_params.gain_val - 1]);
                }
                break;
            case ADJ_NONE:
                break;
        }
        // 你的原逻辑
        Limit_Params();
				// ========== 新增：Power模式更新输出电压 ==========
				   if(dev_params.curr_mode == MODE_POWER) {
            Power_Update(); // 调用电源更新函数，输出对应电压
        }
        LCD_Display_All();
        delay_ms(100);
    }
    
    if(KEY_Scan(5) == KEY_PRESSED) {
        switch(dev_params.curr_adj) {
            case ADJ_POWER:
                // 你的原逻辑
                dev_params.power_val -= step;
                break;
            case ADJ_FREQ:
    dev_params.freq_val -= (u32)step;
    // 更新 DDS 频率
    if(dev_params.curr_mode >= MODE_SINE_WAVE && dev_params.curr_mode <= MODE_SQUARE_WAVE) {
        AD9834_Set_Freq(FREQ_0, dev_params.freq_val);
    }
    if(dev_params.curr_mode == MODE_PWM)
        PWM_Update(dev_params.freq_val, dev_params.duty_val);
    
    // 如果当前处于自检模式，自动配置 ADC 采样率
    if(self_test_running) {
        ADC_AutoConfigByFreq(dev_params.freq_val);
    }
   
                break;
            case ADJ_DUTY:
                // 你的原逻辑
                dev_params.duty_val -= step;
                // 仅新增：PWM模式下更新占空比（不影响其他模式）
                if(dev_params.curr_mode == MODE_PWM) {
                    PWM_Update(dev_params.freq_val, dev_params.duty_val);
                }
                break;
            case ADJ_GAIN:
                // 你的原逻辑
                dev_params.gain_val--;
                if(dev_params.gain_val < 1) dev_params.gain_val = 3;
						    if(dev_params.curr_mode >= MODE_SINE_WAVE && dev_params.curr_mode <= MODE_SQUARE_WAVE)
                    AD9834_SetGain(gain_map[dev_params.gain_val - 1]);
                break;
            case ADJ_NONE:
                break;
        }
        // 你的原逻辑
        Limit_Params();
				// ========== 新增：Power模式更新输出电压 ==========
        if(dev_params.curr_mode == MODE_POWER) {
            Power_Update(); // 调用电源更新函数，输出对应电压
        }
        LCD_Display_All();
        delay_ms(100);
    }
}

可调电源

// 核心电压输出函数
void MCP4725_SetVoltage(float display_val)
{
    uint16_t dac_val;

    if(display_val < -6.7f) display_val = -6.7f;
    if(display_val >  6.7f) display_val =  6.7f;

    // 精准线性映射：-3.3V~3.3V → 0~4095
    dac_val = (uint16_t)((display_val + 3.3f) * 4095.0f / 9.9f);

    if(dac_val > 4095) dac_val = 4095;

    // 发送数据
    I2C_Start();
    I2C_WriteByte(0xC0);
    I2C_WriteByte(0x40);
    I2C_WriteByte((dac_val >> 4) & 0xFF);
    I2C_WriteByte((dac_val << 4) & 0xF0);
    I2C_Stop();
    delay_us(50);
}

void Power_Update(void) {
    // 目标输出电压：dev_params.power_val（范围-5V~+5V）
    float v_out = dev_params.power_val;
    
    // 反推DAC输出电压：V_dac = (V_out / Gain) + Offset
    float v_dac = (v_out / POWER_GAIN) + POWER_OFFSET;
    
    // 边界保护
    if(v_dac < -6.7f) v_dac = -6.7f;
    if(v_dac > 6.7f) v_dac = 6.7f;
    
    // 设置DAC输出
    MCP4725_SetVoltage(v_dac);
}

AD9834主要代码


// ===================== AD9834 写16位 =====================
static void AD9834_Write_16Bits(unsigned int data)
{
      uint8_t i;
    AD9834_FSYNC_0;                // 拉低片选
    for(i=0; i<16; i++)
    {
        // 在SCLK高电平期间设置数据
        if(data & 0x8000)
            AD9834_SDATA_1;
        else
            AD9834_SDATA_0;
        // 产生下降沿，锁存数据
        AD9834_SCLK_0;
        // 增加短延时，确保数据稳定（根据总线速度调整）
        for(volatile int j=0; j<5; j++); // 约0.5μs @72MHz
        // 恢复高电平
        AD9834_SCLK_1;
        data <<= 1;
    }
    AD9834_FSYNC_1;
    // 额外延时，确保FSYNC拉高后SCLK稳定
    for(volatile int j=0; j<10; j++);
}

// ===================== 选择波形 =====================
void AD9834_Select_Wave(unsigned int initdata)
{
    GPIO_SetBits(AD9834_RESET_PORT, AD9834_RESET_PIN);
    delay_ms(1);
    GPIO_ResetBits(AD9834_RESET_PORT, AD9834_RESET_PIN);
    delay_ms(1);

    AD9834_Write_16Bits(initdata);
    delay_ms(5);
}

void AD9834_Reset(void)
{
    AD9834_RESET_1;
    delay_ms(10);
    AD9834_RESET_0;
    delay_ms(10);
}

// ************************* 芯片初始化 *************************
void AD9834_Init(void)
{
    AD9834_GPIO_Init();
    AD9834_Reset(); // 硬件复位，避免上电杂散输出
    
    // 写入控制寄存器：复位状态，B28=1（28位频率分两次写入）
    AD9834_Write_16Bits(AD9834_CTRL_RESET | AD9834_CTRL_B28);
    delay_ms(10);
}
void AD9834_WakeUp(void)
{
    // 清除复位位，保持B28=1，DAC和MCLK全功率工作
    // 因SLEEP引脚硬件下拉，无需软件配置休眠相关位
    AD9834_Write_16Bits(AD9834_CTRL_B28);
    delay_ms(10);
}

// ===================== 设置频率（25MHz 计算）=====================
void AD9834_Set_Freq(unsigned char freq_number, unsigned long freq)
{
    uint32_t freq_reg;
    uint16_t freq_lsb, freq_msb;
    
    // 频率上下限限制，避免超出滤波器和芯片规格
    if(freq > 12500000) freq = 12500000;
    if(freq < 1) freq = 1;
    
    // 28位频率寄存器值计算：FreqReg = fOUT * 2^28 / fMCLK
    freq_reg = (uint32_t)((float)freq * AD9834_2POW28 / AD9834_MCLK);
    
    // 拆分28位数据为两个14位，分两次写入
    freq_lsb = freq_reg & 0x3FFF;
    freq_msb = (freq_reg >> 14) & 0x3FFF;
    
    // 写入FREQ0频率寄存器
//	  AD9834_Write_16Bits(AD9834_CTRL_B28);
    AD9834_Write_16Bits(AD9834_FREQ0_ADDR | freq_lsb);
    AD9834_Write_16Bits(AD9834_FREQ0_ADDR | freq_msb);
    
    // 写入相位寄存器0，默认0相位偏移
    AD9834_Write_16Bits(AD9834_PHASE0_ADDR | 0x0000);
}

// ===================== 增益 =====================
void AD9834_SetGain(uint8_t gain)
{
    GPIO_ResetBits(AD9834_GAIN_A1_PORT, AD9834_GAIN_A1_PIN);
    GPIO_ResetBits(AD9834_GAIN_A0_PORT, AD9834_GAIN_A0_PIN);

    switch(gain)
    {
        case 1:
            GPIO_ResetBits(AD9834_GAIN_A1_PORT, AD9834_GAIN_A1_PIN);
            GPIO_ResetBits(AD9834_GAIN_A0_PORT, AD9834_GAIN_A0_PIN);
            break;
        case 2:
            GPIO_ResetBits(AD9834_GAIN_A1_PORT, AD9834_GAIN_A1_PIN);
            GPIO_SetBits(AD9834_GAIN_A0_PORT, AD9834_GAIN_A0_PIN);
            break;
        case 3:
            GPIO_SetBits(AD9834_GAIN_A1_PORT, AD9834_GAIN_A1_PIN);
            GPIO_ResetBits(AD9834_GAIN_A0_PORT, AD9834_GAIN_A0_PIN);
            break;
        default:
            AD9834_SetGain(1);
            break;
    }
    delay_ms(5);
}

// ===================== 【新增】全波形切换：正弦 / 三角 / 方波 =====================
void AD9834_SetWaveMode(uint8_t mode)
{
    uint16_t ctrl_reg = AD9834_CTRL_B28;  // 必须保持B28=1

    switch(mode)
    {
        case 0: // 正弦波
            ctrl_reg &= ~(1<<1);  // MODE=0
            ctrl_reg &= ~(1<<5);  // OPBITEN=0
            break;
        
        case 1: // 三角波
            ctrl_reg |=  (1<<1);  // MODE=1
            ctrl_reg &= ~(1<<5);  // OPBITEN=0
            break;
        
        case 2: // 方波（必须这样配置！）
            ctrl_reg &= ~(1<<1);  // MODE=0
            ctrl_reg |=  (1<<5);  // OPBITEN=1  方波使能
            ctrl_reg |=  (1<<3);  // DIV2=1     让方波更标准
            break;
    }

    AD9834_Write_16Bits(ctrl_reg);
}

示波器主要代码

void FREQ_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // 时钟使能
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // PA1 浮空输入（外部已有上拉电阻）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 定时器基础配置：72MHz / 72 = 1MHz 计数频率
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 输入捕获配置：通道2（PA1）
    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2;   // 关键修改
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0;
    TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICInitStructure);

    // 中断配置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_CC2, ENABLE);   // 使能通道2中断

    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

   // 2. 配置 PA4 为 DAC 输出 (设置比较器阈值)
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

DAC_InitTypeDef DAC_InitStructure;
DAC_InitStructure.DAC_Trigger = DAC_Trigger_None;
DAC_InitStructure.DAC_WaveGeneration = DAC_WaveGeneration_None;
DAC_InitStructure.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude = DAC_TriangleAmplitude_1;
DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Enable;   // 关键修改
DAC_Init(DAC_Channel_1, &DAC_InitStructure);
DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE);

    // 默认阈值 1.65V (中点)
    FREQ_SetThreshold(0.1f);
}

uint32_t FREQ_Get(void)
{
    return frequency;
}

void FREQ_SetThreshold(float voltage) {
    if(voltage < 0) voltage = 0;
    if(voltage > DAC_VREF) voltage = DAC_VREF;
    uint16_t dac_value = (uint16_t)(voltage * 4095 / DAC_VREF * DAC_CALIB);
    DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, dac_value);
}

static float current_gain = 1.0f;   // 默认增益为 1.0（对应 D=255）

void OSC_Set_Gain(float gain) {
    current_gain = gain;
}
float OSC_Get_Voltage_From_Value(uint16_t adc_val) {
    float adc_voltage = (float)adc_val * 3.28f / 4095.0f/2.0f;
    // 实际输入电压 = ADC电压 × 10倍前级补偿 ÷ 当前运放增益
    return adc_voltage * 11.0f / current_gain;
//	 float adc_voltage = ((float)adc_val * 3.3f / 4095.0f)* 10.0f / current_gain;
}
void OSC_ADC_DMA_Stop(void)
{
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, DISABLE);
    ADC_DMACmd(ADC1, DISABLE);
    DMA_Cmd(DMA1_Channel1, DISABLE);
    ADC_Cmd(ADC1, DISABLE);
}
static void SPI_Delay(void)
{
    uint8_t i = 10; while(i--); // 简单延时，可根据需要调整
}

static void SPI_WriteByte(uint8_t byte)
{
    for(uint8_t i=0; i<8; i++) {
        if(byte & 0x80) GPIO_SetBits(MCP41010_MOSI_PORT, MCP41010_MOSI_PIN);
        else            GPIO_ResetBits(MCP41010_MOSI_PORT, MCP41010_MOSI_PIN);
        GPIO_ResetBits(MCP41010_SCK_PORT, MCP41010_SCK_PIN);
        SPI_Delay();
        GPIO_SetBits(MCP41010_SCK_PORT, MCP41010_SCK_PIN);
        SPI_Delay();
        byte <<= 1;
    }
}

// 初始化 TLP172 控制引脚
static void TLP172_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = TLP172_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(TLP172_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

// 设置耦合模式（0=直流，1=交流）
void TLP172_SetCoupling(uint8_t mode)
{
    if(mode == COUPLING_AC) {
        GPIO_SetBits(TLP172_PORT, TLP172_PIN);   // 高电平：交流耦合
    } else {
        GPIO_ResetBits(TLP172_PORT, TLP172_PIN); // 低电平：直流耦合
    }
}

void MCP41010_Init(void)
{
    SPI_GPIO_Init();
    TLP172_Init();
    // 默认设置为交流耦合模式
    TLP172_SetCoupling(COUPLING_AC);
    // 可选：设置一个默认的电位器阻值
//    MCP41010_SetResistance(128);  // 中间值
}

void MCP41010_SetResistance(uint8_t value)
{
    GPIO_ResetBits(MCP41010_CS_PORT, MCP41010_CS_PIN);
    SPI_WriteByte(0x11);   // 写电位器0命令
    SPI_WriteByte(value);
    GPIO_SetBits(MCP41010_CS_PORT, MCP41010_CS_PIN);
    SPI_Delay();
}

六、硬件功能展示图及说明

6.1 系统电源功能

输入：DC 12V；
固定输出：+5V、+3.3V、-5V，纹波＜15mV，供电稳定，指示灯正常。

6.2 模式一： -3.3V~+3.3V可调电源功能

输出范围：-3.3V~+3.3V 连续可调；
调节方式：按键步进调节，最小步进约 0.1V；
显示：TFT 屏实时显示当前输出电压；
特性：无明显漂移，带载能力满足小信号电路使用。
按键3步进更改，按键4和5加减

6.3模式二，三，四：信号发生器功能

分别输出正弦波、三角波、方波，频率范围宽，波形完整无明显失真，幅值可多级切换。

正弦波1000Hz，3000Hz，2倍增益，增益自检

按键2 频率调节-增益调节-自检，按键3步进选择，按键4和5加减

三角波3000Hz，2000Hz，2倍增益，增益自检

按键2 频率调节-增益调节-自检，按键3步进选择，按键4和5加减

方波2500Hz，1500Hz

按键3步进选择，按键4和5加减

6.4 模式五：PA8 PWM 输出功能

输出引脚：PA8；
频率范围：1Hz ~ 100kHz 可调；
占空比范围：0%~100% 可调；
波形：标准方波，上升沿陡峭，无明显干扰。
1500Hz，2500Hz，65%占空比，35%占空比
按键2 频率调节-占空比调节，按键3步进选择，按键4和5加减

6.5 模式六：示波器功能

可实时采集外部信号，自动适配量程，波形显示流畅，支持时基调节，可测量常见低频 / 中频信号。

按键2 采样时间调节-增益大小调节，按键3步进选择，按键4和5加减

七、设计中遇到的难题和解决方法

7.1 可调电源 - 3.3V~+3.3V 输出不对称、零点漂移

问题：输出电压在接近正负极限值时线性度差，零点不在 0V 附近；
原因：运放失调电压、负压供电不稳、电阻精度不足、DAC 基准误差；
解决方法：更换高精度电阻；软件加入 DAC 零点校准；优化 ICL7660 滤波电路；调整运放电路拓扑结构。

7.2 电源噪声导致示波器波形杂波多

问题：2 层板模拟地与数字地共地，开关噪声与数字噪声耦合进采集通道；
解决方法：改为 4 层板，分割模拟地与数字地，单点共地；在电源端口增加 LC 滤波电路。

7.3 PWM 输出干扰可调电源与采集电路

问题：PA8 输出高频 PWM 时，可调电压出现小幅波动，示波器波形有毛刺；
解决方法：PWM 输出端增加 RC 低通滤波；PWM 布线远离运放、DAC、ADC 等弱信号区域；铺地隔离。

7.4 AD9834 高频信号失真

问题：10MHz 以上波形出现振铃、畸变；
解决方法：优化 DDS 输出滤波电路；高频信号线做 50Ω 阻抗匹配；缩短布线长度。

7.5 模式切换时功能卡死

问题：快速切换模式时，屏幕卡死或输出异常；
解决方法：软件增加模式互斥锁，每次切换先关闭上一模式外设，再初始化新模式；加入延时消抖与状态判断。

八、心得体会与意见建议

8.1 设计心得体会

通过本次基于 STM32F103C8T6 的多功能电子测量仪器设计与制作，我完整经历了从方案论证、原理图绘制、PCB 设计打样、软硬件调试到系统联调的全过程，不仅巩固了专业知识，也切实提升了工程实践与问题解决能力，收获十分深刻。

在硬件设计上，我真正体会到电源与接地是模拟系统的核心。项目中需要同时支撑数字电路、DDS 高频信号、示波器弱信号采集以及 - 3.3V～+3.3V 双极性可调电源，初期因为地平面未合理分割、负压供电滤波不足，出现了噪声大、电压漂移、波形失真等问题。经过多版 PCB 迭代，从双层板改为四层板、分割模拟地与数字地、优化去耦与布线后，系统稳定性显著提升，让我对高速混合信号电路的布局布线、阻抗匹配、噪声抑制有了更直观的理解。同时，PA8 PWM 输出、可调电源、信号发生器、示波器多个功能模块共存，也让我学会了如何在有限空间内进行模块化布局，减少模块间相互干扰。

在软件与调试方面，本项目涉及 SPI、I2C、ADC、定时器等多种外设驱动，需要通过状态机实现多模式切换与互斥运行。在调试过程中，我逐渐养成了 “先电源、后模块，先硬件、后软件” 的排查思路，面对波形杂波、PWM 干扰、可调电压不对称等问题，能够结合万用表、示波器定位故障根源，而不是盲目修改代码。整个过程让我认识到，软硬件协同设计远比单一功能实现更重要，合理的程序架构可以有效弥补部分硬件缺陷，提升系统整体可靠性。