本实用新型涉及一种用于学生物理实验实用的音频信号发生器，尤其是能产生频率、幅度可调，驱动能力强的正弦波音频信号，属于信号处理技术领域。
背景技术：
目前用于教育行业进行物理实验的音频信号发生器，功能单一，对于需要单一频率和单一幅度的音频信号的能够满足物理实验要求。但对于需要幅度和频率均可调，驱动能力强的音频信号的物理实验，不能满足实验要求。
技术实现要素：
针对现有实验用音频信号发生器存在的不足，为了满足一些物理实验需要频率和幅度可调、音频输出驱动能力强的问题，本实用新型提供一种不仅具有普通音频信号发生器的功能，而且能够实现频率和幅度在一定范围内可调的用于学生物理实验的音频信号发生器。
本实用新型的用于学生物理实验的音频信号发生器，采用以下技术解决方案：
该音频信号发生器，包括供电电路、主控电路、显示电路和输出调理电路，供电电路的输出端分别与主控电路、显示电路和输出调理电路连接；主控电路的输出端分别与显示电路和输出调理电路连接。
所述供电电路，包括AC/DC电源模块、防反接二极管D2、转接端子J4、DC/DC转换芯片U3和DC/DC隔离模块U1，AC/DC电源模块通过转接端子J4分别与DC/DC转换芯片U3和DC/DC隔离模块U1连接。
所述主控电路，包括单片机U5、基准电压芯片U1、程序烧录接口J2、晶振电路Y1、输出接口FPC20和频率调节档位按键；基准电压芯片U1、程序烧录接口J2、晶振电路Y1和频率调节档位按键均与单片机U5连接，输出接口FPC20一端连接单片机U5，另一端连接供电电路和输出调理电路。所述频率调节档位按键包括频率调节档位增加按键和频率调节档位降低按键。
所述显示电路，包括显示屏、显示屏接口和背光控制三极管Q3；显示屏接口输入端连接主控电路中的单片机U5和背光控制三极管Q3，显示屏接口输出端连接显示屏。
所述输出调理电路，包括外置音量功放芯片U4、内置音量功放芯片U6、频率调节旋转编码器接口J2、旋转编码器、外置音量调节滑动电位器R1、内置音量滑动电位器R11、输入输出接口J1、内置扬声器、外置扬声器、内置扬声器转接接口LS1和外置扬声器转接接口J3以及信号输出端子的正极和负极；外置音量功放芯片U4和内置音量功放芯片U6的输入端通过输入输出接口J1连接到主控电路中的单片机U5；频率调节旋转编码器接口J2的输入端连接旋转编码器和供电电路中的DC/DC转换芯片U3,输出端通过输入输出接口J1连接到主控电路中的单片机U5；外置音量调节滑动电位器R1和内置音量滑动电位器R11的输入端通过输入输出接口J1连接主控电路中的基准电压芯片U1，输出端通过输入输出接口J1连接到主控电路中的单片机U5；内置扬声器通过内置扬声器转接接口LS1连接到内置音量功放芯片U6；外置扬声器连接到信号输出端子的正极和信号输出端子的负极，信号输出端子的正极连接外置扬声器转接接口J3的正极，信号输出端子负极连接到外置扬声器转接接口J3的GND。外置扬声器转接接口J3连接到外置音量功放芯片U4。
上述音频信号发生器利用单片机定时器、DMA、DAC三种资源组合输出音频信号，通过输出信号调理电路对波形进行功率放大，输出波形的基波以数据表格的形式存储于单片机内部；单片机通过DAC输出两路独立的音频信号，分别连接输出调理电路的两路功放。单片机通过AD采样确定两个滑动电位器位置，实现内置或者外置扬声器音量调节。单片机通过采集旋转编码器脉冲数结合当前档位进行波形的频率调节。两个按键用于频率调节档位的增加和降低。显示屏显示音频输出相关系统状态，包括当前档位、频率、音量。
本实用新型可以输出一种频率，幅度在一定范围可调的正弦波音频信号，采用单片机控制，输出信号准确、稳定，能够满足物理实验的要求。
附图说明
图1是本实用新型用于学生物理实验的音频信号发生器的供电电路原理图。
图2是本实用新型用于学生物理实验的音频信号发生器的主控电路原理图。
图3是本实用新型用于学生物理实验的音频信号发生器的显示电路原理图。
图4是本实用新型用于学生物理实验的音频信号发生器的输出调理电路原理图。
图5是本实用新型用于学生物理实验的音频信号发生器的外形结构示意图。
其中：1、频率调节旋钮，2、信号输出端子正极，3、信号输出端子负极，4、外置音量调节滑动电位器，5、内置音量调节滑动电位器，6、显示屏，7、频率调节档位增加按键，8、频率调节档位降低按键，9、电源开关，10、电源输入插座。
具体实施方式
本实用新型物理原理实验用音频信号发生器，包括供电电路、主控电路、显示电路和输出调理电路，供电电路的输出端分别与主控电路、显示电路和输出调理电路连接；主控电路的输出端分别与显示电路和输出调理电路连接。
供电电路如图1所示，包括AC/DC电源模块、防反接二极管D2、转接端子J4、DC/DC转换芯片U3和DC/DC隔离模块U1。外部220V/50Hz市电通过AC/DC电源模块输出+12V直流电压，AC/DC电源模块输出通过J4端子连接到D2防反接二极管。防反二极管输出D2输出通过U3(LM2841)BUCK降压芯片以及外围的一些电容、电阻、电感产生+3.3V电压，为主控电路和显示电路、输出调理电路提供电源。防反二极管D2输出通过U1(URA2409YMD-6WR3)DC/DC转换模块输出±9V电压，为输出调理电路功放提供电源。
主控电路如图2所示，包括单片机U5(STM32F103VET6)、基准电压芯片U1(ADR391ZUJZ)、程序烧录接口J2、晶振电路Y1、输入输出接口FPC20以及频率档位调节增加按键S1(对应图5中的频率调节档位增加按键7和频率档位调节降低按键(对应图5中的频率调节档位降低按键8)。基准电压芯片U1通过输入输出接口FPC20输入+3.3V电压，输出+2.5V电压，为单片机U5的两路DAC输出提供基准电压，确保输出DAC值稳定、准确。程序烧录接口J2采用SW方式进行程序仿真和烧录。晶振电路采用8MHz无源贴片晶振为单片机U5提供外部时钟源。输入输出接口FPC20接口一方面为单片机U5提供+3.3V电源，另一方面单片机U5通过输入输出接口FPC20输出两路DAC信号、采集两路ADC信号(内置音量调节滑动电位器和外置音量调节滑动电位器)和采集旋转编码器脉冲信号。频率调节档位增加按键S2和频率调节档位降低按键S1连接到单片机U5内部的上拉IO口。单片机U5通过检测IO口状态判断按键是否存在有效键值，从而调节系统频率档位的当前值。频率调节档位共分1Hz、10Hz、100Hz 3档。按键S1为档位增加按键，连续按下S1键档位进行增加，增加到100Hz时不再增加。按键S2为档位降低按键，连续按下S2键，档位进行减小，减小到1Hz时不再减小。
显示电路如图3所示，包括LCD1接口、背光控制三极管Q3和显示屏5(参见图5)，LCD1接口(显示屏接口)输入端连接主控电路中的单片机U5和背光控制三极管Q3，LCD1接口输出端连接显示屏。单片机U5使用FMSC方式驱动2.0寸TFT液晶屏(HX8347D主控)，显示颜色为16位真彩色，分辨率为240*320。单片机U5通过控制三极管Q3的导通和截止来控制液晶屏幕背光。显示屏显示内容包括，音频频率、音频内置和外置音量以及频率调节档位设置。图形显示界面单片机定时器产生60ms中断，每60ms检测一次系统状态。当音频音量、频率、频率调节档位任意一个值发生变化时，显示界面才执行刷新。没有变化时，显示界面处于静态显示模式。
输出调理电路如图4所示，包括外置音量功放芯片U4、内置音量功放芯片U6、频率调节旋转编码器接口J2、旋转编码器(对应图5中的频率调节旋钮1)、外置音量调节滑动电位器R1(对应图5中的外置音量调节滑动电位器4)、内置音量滑动电位器R11(对应图5中的内置音量调节滑动电位器5)和输入输出接口J1、内置扬声器、外置扬声器、内置扬声器转换接口LS1、外置扬声器转换接口J3、信号输出端子正极和信号输出端子负极。单片机U5输出的两路DAC信号通过输入输出接口J1分别连接到C4和C10钽电容。一路DAC信号通过钽电容C10和R13充放电，将DAC信号变正负交流信号，正负交流信号进入内置音量功放芯片U6(UTC2030A)后，通过R8、R9进行2倍的电压值放大，被放大的交流信号通过由R10和C11组成的低通滤波电路后通过LS1接口输出到内置扬声器；另一路DAC信号通过钽电容C4和R12充放电，将DAC信号变成正负交流信号，正负交流信号进入外置音量功放芯片U4(UTC2030A)后，通过R2和R6进行2倍的电压值放大，被放大的交流信号通过由R7和C8组成的低通滤波电路后通过外部扬声器转换接口J3连接到信号输出端子正极和负极，信号输出端子的正极和负极连接到外部扬声器。由基准电压芯片产生的+2.5V电压通过输入输出接口J1连接到外置音量调节滑动电位器R1和内置音量滑动电位器R11。外置音量调节滑动电位器R1和内置音量滑动电位器R11通过输入输出接口J1向单片机U5提供AD采样信号，为进一步稳定AD采样值，单片机U5连续采样20次，求取平均值。外置音量调节滑动电位器R1负责外置音量调节，电压值被平均分为15份，由单片机通过AD采样确定其位置。由下向上滑动时，外置音量逐渐增加。内置音量滑动电位器R11负责内置音量调节，电压被分为15份，由单片机U5通过AD采样确定其位置。由下向上滑动时，内置音量逐渐增加。单片机U5通过波形数据表乘以对应幅值系数表的值，来改变DAC输出寄存器值的大小，进而改变DAC输出波形的峰峰值，最终改变输出音量。频率调节旋转编码器接口J2的输入连接旋转编码器，单片机U5通过旋转编码器接口J2采集旋转编码器脉冲数，以确定频率的增加或者减少值。单片机U5通过改变定时器的溢出值来改变触发DAC输出数据点的间隔时间，从而改变DMA搬运波形数据点的输出时间，最终实现两路DAC输出波形的频率调节。波形输出最小频率为200Hz，输出最大频率为2000Hz。
图5给出了本实用新型用于学生物理实验的音频信号发生器的外形结构，其上设置有频率调节旋钮1、信号输出端子正极2、信号输出端子负极3、外置音量调节滑动电位器4、内置音量调节滑动电位器5、显示屏6、频率调节档位增加按键7、频率调节档位降低按键8、电源开关9和电源输入插座10。电源输入插座10用于与外部电源连接，电源总开关9控制整个电路的接通和断开。
本实用新型音频信号发生器的运行模式如下：
系统上电后，音频信号发生器的默认状态为：频率调节档位为10Hz,内置、外置扬声器音量为0，显示当前频率值为200Hz。向上调节外置音量调节滑动电位器4，外置扬声器音量增加；向下调节外置音量调节滑动电位器4，外置扬声器音量减小；向上滑动内置音量调节滑动电位器5，内置扬声器音量增加；向下滑动内置音量调节滑动电位器5，内置音量减小；顺时针旋转频率调节旋钮1，输出音频信号频率增加，增加后的值为：当前频率值+(频率调节旋钮1脉冲数×频率调节档位值)。逆时针旋转频率调节旋钮1，输出音频信号频率减小，减小后的值为：当前频率值-(频率调节旋钮1脉冲数×频率调节档位值)。按下频率调节档位增加按键7，频率调节档位值增加；按下频率档位调节降低按键8，频率调节档位值减小。