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从零打造任意波形信号发生器：一个工程师的实战笔记

最近在调试一款超声驱动电路时，我遇到了一个棘手的问题——手头的标准函数发生器只能输出正弦、方波和三角波，而我的系统需要一段特定包络的脉冲串来模拟真实工作场景。于是，我决定不再依赖昂贵的专业设备，而是自己动手做一台真正意义上的任意波形信号发生器（AWG）。

这不仅是一次硬件搭建，更是一场对数字信号处理、嵌入式实时控制与模拟接口设计的综合实战。今天，我就以“过来人”的身份，带你一步步实现这个项目，不讲空话，只说干货。

为什么我们需要“任意”波形？

你可能用过那种带旋钮的函数发生器，调频率、换波形，看似方便，实则受限。它能生成的波形是预设好的，无法表达复杂的时间序列行为。比如：

• 超声探头所需的突发脉冲+衰减包络
• 电机驱动中的非对称PWM激励
• 雷达仿真里的线性调频（Chirp）信号

这些都超出了传统仪器的能力范围。而任意波形信号发生器的核心价值，就在于把波形变成数据——只要你能写成数组，它就能输出。

换句话说，AWG 的本质就是：

内存中存波形 → 定时送 DAC → 模拟输出 → 经滤波平滑

听起来简单？但要让它稳定、精确、低噪声地工作，背后涉及多个关键技术点的协同优化。下面我们就从最核心的三个模块讲起。

第一块拼图：DAC——让数字“活”起来

数模转换器不是“数转模”那么简单

很多人以为，只要给 DAC 写个值，就会立刻得到对应的电压。但实际上，DAC 的性能直接决定了 AWG 的上限。

我们常用的 DAC 分辨率有 8 位、12 位、16 位。以 STM32 内部的 12 位 DAC 为例，在 3.3V 参考电压下，最小步进为：

$$
\Delta V = \frac{3.3}{4095} \approx 0.8\,\text{mV}
$$

这意味着你能分辨出 0.8mV 的变化，听起来不错。但如果采样不够快或跳变不连续，输出的仍然是“楼梯状”的离散信号，远非平滑波形。

所以选 DAC 时要关注几个关键参数：

推荐器件：
-MCP4725：I²C 接口，12 位，适合低速应用
-AD5663：16 位轨到轨输出，内置参考源
-STM32F4 内部 DAC：免外接芯片，成本低，但精度一般

别再用 delay 控制频率了！

新手常写的代码长这样：

for (int i = 0; i < 256; ++i) { DAC_Set(sine_table[i]); delay_us(10); // 想通过延时控制频率？ }

这种做法问题很大：delay_us()受编译器优化、中断干扰影响极大，导致采样间隔不均，产生严重抖动（jitter），最终输出的波形频谱发散、杂散多。

真正的解决办法是：用硬件定时器触发 DAC 更新。

第二块拼图：DDS——软件定义频率的灵魂

相位累加器才是精髓

如果你只是查表播放固定波形，那叫“波形回放”。而 DDS 才是现代 AWG 的核心技术，它让你可以用软件动态调节频率，且切换无相位突变。

DDS 的核心结构其实很简单：

[频率控制字 FCW] ↓ +------------------+ | 相位累加器 | → [高位截取] → 查找表 → DAC +------------------+ ↑ 每周期加一次

每经过一个时钟周期，相位寄存器就加上一个FCW，就像秒针匀速走动。然后我们取高几位作为查找表索引，读出对应幅度值送给 DAC。

输出频率公式为：

$$
f_{out} = \frac{\text{FCW} \times f_{clk}}{2^N}
$$

其中 $ N $ 是相位寄存器位宽（通常 32 位），$ f_{clk} $ 是系统主频。

举个例子：
假设使用 STM32F4（主频 168MHz），配置定时器每 1μs 触发一次 DAC 更新（即采样率 1MHz），相位寄存器 32 位，则最小频率步进可达：

$$
\Delta f = \frac{1 \times 10^6}{2^{32}} \approx 0.00023\,\text{Hz}
$$

也就是说，你可以精确生成 1.23456 Hz 的信号，这是普通函数发生器做不到的。

实现一个轻量级 DDS 引擎

#define TABLE_SIZE 1024 static uint16_t sine_lut[TABLE_SIZE]; static uint32_t phase_accum = 0; static uint32_t fcw = 0; // 初始化正弦查找表（预计算） void init_sine_table(void) { for (int i = 0; i < TABLE_SIZE; ++i) { double angle = 2.0 * M_PI * i / TABLE_SIZE; sine_lut[i] = (uint16_t)(2047 + 2047 * sin(angle)); } } // 设置目标频率（单位：Hz） void dds_set_frequency(float freq, float sample_rate) { fcw = (uint32_t)((freq * (1ULL << 32)) / sample_rate); } // 获取下一个采样点 uint16_t dds_next_sample(void) { phase_accum += fcw; uint16_t index = (phase_accum >> 22) & (TABLE_SIZE - 1); // 提取高10位 return sine_lut[index]; }

注：这里右移 22 位是为了从 32 位相位中提取 10 位索引（支持 1024 点表）。若使用更大表格，可调整位数。

这个 DDS 引擎可以在每次定时器中断中调用，输出当前样本，完全不受 CPU 负载波动影响。

第三块拼图：MCU + 定时机制——构建零干预流水线

单片机不只是“控制器”，更是“数据流调度中心”

很多人低估了 MCU 在 AWG 中的作用。你以为它只是算算 DDS、写写 DAC？错。它的真正能力在于整合硬件资源，构建自动化数据通道。

理想状态下的 AWG 应该是这样的：

一旦启动，CPU 就可以去睡觉了

怎么做？靠的是三大神器组合拳：TIM + DAC + DMA

TIM（定时器）：精准节拍发生器

设置一个周期性中断或事件触发信号，比如每 1μs 发一次 TRGO 脉冲。

DAC：支持外部触发模式

配置为“等待 TRGO 来了再更新”，而不是由 CPU 主动写入。

DMA：自动搬运数据

提前把波形数组放在内存里，让 DMA 自动按序送到 DAC 数据寄存器。

三者联动后，整个流程无需 CPU 参与，实现了真正的“后台静默运行”。

配置示例（基于 STM32 HAL 库）

void awg_init_hardware_dma(void) { TIM_HandleTypeDef htim3 = {0}; DAC_ChannelConfTypeDef dac_ch = {0}; // --- 配置 TIM3 作为触发源 --- __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE(); htim3.Instance = TIM3; htim3.Init.Prescaler = 83; // 84MHz APB1 → 1MHz 计数频率 htim3.Init.Period = 999; // 1kHz ~ 1MHz 可调 htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; HAL_TIM_Base_Start(&htim3); // 启用主模式更新触发（TRGO） htim3.TriggerOutputSource = TIM_TRGO_SOURCE_UPDATE; HAL_TIM_GenerateEvent(&htim3, TIM_EVENTSOURCE_UPDATE); // --- 配置 DAC --- hdac.Instance = DAC; HAL_DAC_Init(&hdac); dac_ch.DAC_Trigger = DAC_TRIGGER_T3_TRGO; // 关键！由 TIM3 触发 dac_ch.DAC_OutputBuffer = DAC_OUTPUTBUFFER_ENABLE; HAL_DAC_ConfigChannel(&hdac, &dac_ch, DAC_CHANNEL_1); // --- 启动 DMA 循环传输 --- HAL_DAC_Start_DMA(&hdac, DAC_CHANNEL_1, (uint32_t*)sine_lut, TABLE_SIZE, DAC_ALIGN_12B_R); }

这段代码执行完后，DAC 就会按照 TIM3 设定的节奏，自动从sine_lut数组中循环读取数据并输出，直到你手动停止。

构建完整系统：不只是“能出波形”

系统架构全景图

[用户输入] → [MCU] ↓ [DDS引擎 / 查表] ↓ [DMA] ←→ [DAC] → [LPF] → [OpAmp] → [输出] ↑ ↑ ↑ [定时器] [参考电压] [增益控制]

别忘了，DAC 输出的是“阶梯波”，含有丰富的高频镜像成分（奈奎斯特频率以上的谐波），必须通过低通滤波器（LPF）滤除。

如何设计抗混叠滤波器？

原则很简单：截止频率略高于目标信号最高频率，衰减陡峭。

例如你要输出 100kHz 正弦波，建议使用5阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率设为 120kHz 左右。这样既能保留基波，又能有效抑制 1MHz 附近的采样镜像。

运放部分建议使用低噪声、高带宽型号，如OPA2134或LMH6642，并加入50Ω 输出阻抗匹配，兼容示波器、频谱仪等标准负载。

常见坑点与避坑指南

进阶玩法：不止于“发生器”

掌握了这套方法论，你可以轻松扩展功能：

• 双通道同步 AWG：两路 DAC 共享同一时钟，实现 I/Q 调制；
• 扫频信号生成：让 FCW 随时间线性增长，产生 Chirp 信号；
• 远程控制版：加上 ESP32-WiFi 模块，手机 APP 调参；
• 上位机图形化编辑：Python 编辑波形 → 下载到设备 → 实时播放；
• 闭环校准：接入 ADC 反馈，自动补偿 DAC 非线性。

甚至，你可以把它改造成：
- 简易音频播放器
- 函数发生器教学平台
- PWM 波形生成工具（用于电机控制）
- 脉冲激励源（用于压电陶瓷驱动）

最后一点思考

做这台 AWG 的过程，让我重新理解了“信号”的本质：

信号 = 时间 + 幅度的有序排列

无论是声音、振动、光强还是电压，它们都可以被数字化、存储、重组、再生。而我们手中的 MCU 和 DAC，正是打开这扇门的钥匙。

更重要的是，这个项目教会我一种思维方式：
不要满足于“调用库函数”，要去理解每一行代码背后的物理意义；不要迷信商业仪器，要学会拆解复杂系统的底层逻辑。

当你亲手做出第一段自定义波形，并在示波器上看到它完美呈现时，那种成就感，远胜于买一台万元设备。

如果你也在学习嵌入式、信号处理或自动化测试，不妨试试从做一个 AWG 开始。它不大，但五脏俱全；它不贵，却能带你走得很远。

如果你在实现过程中遇到具体问题——比如“DMA 不启动”、“波形不对称”、“滤波器震荡”——欢迎留言交流，我可以分享更多调试细节和实测波形截图。一起把这件事做得更扎实。