基于STM32的信号发生器设计论文.doc

摘 要摘 要信号发生器是一种能产生多个函数信号的的仪器，常见的有正弦波、方波、三角波等。在电子技术飞速发展的今天，信号发生器作为各种信号源无论在实验室还是在设备检测中已经具有十分广泛的用途。传统的信号发生器大多是基于模拟电子技术设计制作的，这种信号源制作简单，成本低廉，但是它的缺点也很多，比如不便于存储，频率稳定度差，失真度高等。DDS是以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的合成原理。本设计采用DDS和单片机技术相结合，以STM32F103RBT6芯片及AD9834为核心设计了一种幅度、相位、频率都可调节的信号发生器，它不仅能克服传统的正弦波信号发生器的缺点，而且由模拟乘法器产生调幅电路、采用数字键控的方法实现二进制PSK、ASK信号，且频带较宽、频率稳定度高，波形良好。该信号发生器具有更强的市场竞争力，在跳频技术、无线电通信技术方面具有比较广阔的发展前景。关键字：信号发生器，STM32F103RBT6，DDS，AD983451AbstractABSTRACTSignal generator can generate multiple functions is a signal of the instrument, common have a sine wave, square wave, triangle wave, etc. In todays rapid development of electronic technology, signal generator as a variety of signal source in the laboratory or in the equipment testing has a very wide range of USES. Mostofthetraditionalsinewavesignalgeneratorisdesignedbasedonanalogelectronictechnology,thisissimpleandlowcostproductionsource,butithasmanyshortcomings,suchasitisnoteasytostore,itsfrequencystabilityispoor,highdistortionandsoon.DDSisanewsyntheticprinciplewhichbasedontheall-digitaltechnology,startingfromtheconceptofphasedirectsynthesisofwaveformsrequired.ThisdesignusesDDSandmicrocontrollertechnology,theAD9850DDSchiptothecore,designasinewavesignalgenerator,whosemagnitude,phase,frequencycanberegulated.Itsnotonlycanovercomethetraditionalshortcomingsofthesinewavesignalgenerator,andtheamplitudecircuitisproducedbytheanalogmultiplier,thedigitalkeyingisusedtoachievebinaryPSK,ASKsignal,andithaswideband,highfrequencystability,wavegood.Thesignalgeneratorhasastrongermarketcompetitiveness,inthefrequencyhopping,radiocommunicationtechnologyhasrelativelybroadprospectsfordevelopment.Key words: signal generator, STM32F103RBT6, DDS, AD9834目 录目 录第1章引言11.1 选题背景11.2 研究目标和意义21.3 研究思路2第2章方案论证32.1 主控制器32.2 信号发生源42.3 系统稳压模块52.4 DDS稳压模块52.5 频率控制模块52.6 串口模块62.7 显示模块6第3章硬件模块详解83.1 STM32F103RBT6简介83.1.1 综述83.1.2 结构概览83.1.3 特性93.1.4 芯片引脚排列说明103.2 信号发生模块123.2.1 综述123.2.2 特点和优势123.2.3 芯片引脚排列及功能133.3 正弦调制信号的产生153.4 三角波调制信号的产生163.5 LCD显示器173.5.1 综述173.5.2 基本特征173.5.3 控制器接口信号说明18第4章硬件电路设计204.1 STM32主控电路及液晶显示电路204.2 AD9834信号源模块224.3 系统电源模块及DDS电源234.4 控制模块244.5 串口模块24第5章系统软件设计及调试265.1 Keil软件的介绍265.2 系统软件设计275.2.1 软件流程图285.2.2 系统软件设计原理285.3 信号产生的程序295.4 测试仪器315.4.1 技术性能345.5 指标测试345.5.1 正弦波指标测试345.5.2 三角波指标测试345.5.3 方波指标测试345.6 测试结果35参考文献38致谢39附录40附录一：原理图及PCB图40外文资料原文41译文47第1章 引言第1章 引言1.1 选题背景信号源作为一种信号产生的装置已经越来越受到人们的重视，它可以根据用户的要求，产生自己需要的波形，具有重复性好，实时性强等优点，已经逐步取代了传统的函数发生器。当今高性能的信号源均通过频率合成技术来实现，随着计算机、数字集成电路和微电子技术的发展，频率合成技术有了新的突破直接数字频率合成技术DDS(Direct Digital Synthesis)，他是将先进的数字信号处理理论与方法导入到信号合成领域的一项新技术，它的出现为进一步提高信号的频率稳定度提供了新的解决方法。同时，随着微电子技术的迅速发展，尤其是单片机技术的发展，智能仪器也有了新的进展，功能更加完善，性能也更加可靠，智能程度也不断提高。本课题的目的就是依据DDS原理设计开发出一个能产生正弦波，且能产生幅度调制（AM）信号电路，产生模拟调制（FM）信号电路，产生二进制PSK，ASK信号电路1。近几年超高速数字电路的发展以及对DDS的深入研究，DDS的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到锁相频率合成器相当的水平。随着这种频率合成技术的发展，其已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。随着微电子技术的飞速发展，目前高超性能优良的DDS 产品不断推出，主要有Qualcomm、AD、Sciteg 和Stanford 等公司单片电路（monolithic）。Qualcomm公司推出了DDS 系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368 的时钟频率为130MHz，分辨率为0.03Hz，杂散控制为-76dB，变频时间为0.1s;美国AD 公司也相继推出了他们的DDS 系列：AD9850、AD9851、可以实现线性调频的AD9852、两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856 和AD9857。AD公司的DDS系列产品以其较高的性能价格比，目前取得了极为广泛的应用。1.2 研究目标和意义该毕业设计的研究和制作全面说明了对低频信号发生器系统要有一个全面的了解，对低频信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：博兴的设定、DAC应用、新型微处理器系统控制、低噪声LDO电源、显示模块、键盘、低噪声放大器等各模块之间通信，各部分要熟练连接调试。能够正确了解常规芯片的使用方法，掌握简单的信号发生器应用系统软硬件的设计方法。进一步锻炼我们在信号处理方面的实际动手能力和工作能力。1.3 研究思路（1）掌握相关电子电路，微处理器基础理论知识和设计方法；（2）熟悉信号产生的原理；（3）利用相应微处理器完成信号发生系统的设计，使信号频率可调以及相关信息显示。第2章 方案论证第2章 方案论证根据题目要求，本系统主要由主控制器模块、DDS模块、系统稳压模块、DDS稳压模块、频率控制模块、串口模块和显示模块构成。如图2-1：主控制器模块DDS模块系统稳压模块DDS稳压模块串口模块显示模块频率控制模块图2-1 系统原理图2.1 主控制器方案一：采用通用的51单片机AT89S52作为主控制器，完成数据处理，DDS的频率输出控制，键盘的扫描及液晶显示器的显示控制等。由于51单片机内部的RAM和ROM都比较小，考虑到实现本系统需要大量的数据处理及液晶显示需占用大量的ROM资源等，用51单片机实现本系统就需外扩RAM和ROM，实现起来比较麻烦。而且本系统需要用A/D转换器采样调制信号实现调频信号的输出，使用51单片机就需外扩一片A/D转换芯片，实现也比较麻烦。而且基于整个系统的速度要求，51单片机也不能满足要求。方案二：采用意法半导体公司的32位微处理器STM32F103RBT6作为主控制器。由于STM32F103RBT6内置有20K的SRAM和128K字的内存FLASH，能满足本系统数据处理及液晶显示所需数据的存储要求CPU时钟频率高达72MHz，能满足速度要求；集成有12位电压模数转换器ADC，可以满足系统采样调制信号的要求；一片STM32F103RBT6就可以完成整个系统的主要功能，基本不需要扩展其他器件，不仅体积小而且可靠性高。采用C语言编程，简单方便，使开发更加容易，整个系统更加简单。方案二：采用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为主控制器。由于SPCE061A内置有2K字的SRAM和32K字的内存FLASH，能满足本系统数据处理及液晶显示所需数据的存储要求CPU时钟频率高达49.152MHz，不能能满足速度要求；集成有7通道10位电压模数转换器ADC，可以满足系统采样调制信号的要求；一片凌阳SPCE061A单片机就可以完成整个系统的主要功能，基本不需要扩展其他器件，不仅体积小而且可靠性高。而且凌阳单片机具有C语言风格的汇编语言，有与标准C兼容的C语言，C语言函数可以与汇编函数互相调用，使其开发更加容易，但是由于处理速度不高，因此不能满足要求综上所述，本系统采用方案二，利用STM32F103RBT6作为主控芯片。2.2 信号发生源方案一：采用反馈型LC振荡原理，选择合适的电容、电感就能产生相应的正弦信号。此方案器件比较简单，但是难以达到高精度的程控调节，而且稳定度不高，故不采用。 方案二：采用DDS技术的基本原理。DDS技术是基于 Nyquist采样定理，将模拟信号进行采集，经量化后存入存储器中（查找表），通过CPLD或者FPGA进行寻址查表输出波形的数据，再经D/A 转换滤波即可恢复原波形。根据 Nyquist 采样定理知，要使信号能够恢复，必须满足采样频率大于被采样信号最高频率的2倍，否则将产生混叠，经D/A 不能恢复原信号。此方案产生的波形比较稳定，在高频输出时会产生失真，而且电路比较复杂，故不采用。方案三：直接采用DDS集成芯片。AD9834是AD公司生产的DDS芯片，带并行和串行加载方式，AD9834 内含可编程DDS系统和高速比较器,能实现全数字编程控制的频率合成。 由于DDS集成芯片能达到要求，而且节省硬件电路，程控调节能够方便实现，本设计采用方案三，作为1K35MHz信号发生源。2.3 系统稳压模块该MIC5219是具有高的高效线性电压调节器峰值输出电流能力，非常低的压差电压，不到1 的输出电压精度更好。差一般为10mV ，在轻载和小于500mV的满负荷。该MIC5219的目的是提供一个峰值输出电流为启动条件，其中高浪涌电流要求。它具有一个500mA峰值输出评级。连续输出电流只由封装和布局的限制。该MIC5219可以启用或由CMOS或关闭TTL兼容的信号。禁用时，功耗降至近于零。差的接地电流被最小化，以有助于延长电池寿命。其他主要功能包括的反相电池保护，电流限制，过温关断，并用一个超低噪声的选择的低噪声性能。由于STM32F103是一款低功耗芯片，并且只具有少量外设，故采用体积十分小巧的MIC5219稳压芯片。2.4 DDS稳压模块采用AM1117线性稳压芯片，AMS1117的片上微调把基准电压调整到1%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力使DDS芯片工作电压平稳，减少对信号源造成的杂波干扰。2.5 频率控制模块方案一：使用变容二极管直接调频。变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压改变而变化的原理设计的一种二极管。加反向偏压时，变容二极管呈现一个较大的结电容。变容二极管要并接在产生中心频率振荡的选频网络的两端，并加上调制信号，使中心频率随调制信号的幅值的改变而改变，从而达到调频作用。但是本方案会使电路产生的频偏不稳定，容易产生中心频率偏移。 方案二：采用锁相环进行调制，采用锁相环路调频，能够达到中心频率高度稳定的调频信号。由于锁相环能跟踪并锁定中心频率。从而使中心频率有足够高的稳定度。而调制信号就加在VCO（压控振荡器）的输入端，从而使中心频率随调制信号的幅值的改变而改变。本方案比较直观，而且中心频率和频偏都比较准确，但是电路复杂，故不采用。方案三：STM32F103RBT6内部集成有12位ADC。可先将调制信号离散化，当采集完一个周期（1ms）的数据后，计算出每相邻两个抽样点的偏移量，这样就可以根据偏移量控制改变DDS的输出频率，从而达到调频效果，而且硬件只需要使用弹性按键。综上所述，本次设计采用方案三。2.6 串口模块方案一：使用CH340串口芯片。CH340是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口、USB转IrDA红外或者USB转打印口。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。CH340是一款十分优秀的TTL电平转换芯片，可以将USB直接转换为TTL电平与主控制器UART进行通信。但是因为电路较为复杂，顾不采用。方案二：使用CP2102串口芯片。CP2102其集成度高，内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、晶体振荡器、EEPROM及异步串行数据总线（UART），支持调制解调器全功能信号，无需任何外部的USB器件。CP2102与其他USB-UART转接电路的工作原理类似，通过驱动程序将PC的USB口虚拟成COM口以达到扩展的目的。CP2102是一款高度集成的电平转换芯片，性能十分优秀，整体电路十分简单、整洁。综上所述，采用方案二CP2102作为串口模块芯片。2.7 显示模块方案一：采用LCD1602显示屏。工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。但不能显示中文，因此不能直观的表现显示数据。方案二：采用LCD12864显示屏。带中文字库的LCD12864 是一种具有4 位/8 位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16 点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616 点阵的汉字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。底层驱动代码简单易操作。十分符合系统要求。方案三：采用LED数码管显示。led数码管（LED Segment Displays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。可放在PCB电路板上按红绿蓝顺序呈直线排列，以专用驱动芯片控制，构成变化无穷的色彩和图形。外壳采用阻燃PC塑料制作，强度高，抗冲击，抗老化，防紫外线，防尘，防潮。LED护栏管具有功耗小，无热量，耐冲击，长寿命等优点，配合控制器，即可实现流水，渐变，跳变，追逐等效果。但因为显示内容不多，顾不采用。综上所述，采用方案二采用LCD12864作为显示模块。第3章 硬件模块详解第3章 硬件模块详解3.1 STM32F103RBT6简介3.1.1 综述STM32F103RBT6是ST公司基于ARM最新Cortex-M3架构内核的32位处理其产品，内置128KB的FLASH、20K的RAM、12位AD、4个16位定时器和3路UART通信口等多种资源，时钟频率最高可达72MHz。3.1.2 结构概览图3-1 内部结构图3.1.3 特性STM32F103RBT6 封装：LQFP64内核：ARM32 位Cortex-M3 CPU,72MHz，90 DMIPS1.25 DMIPS MH,单周期乘法和硬件除法, 通用增强型,内嵌中断控制器有43 个可屏蔽中断通道,采用尾链(tail chaining)技术的中断处理（降至6 个CPU 周期）。STM32F103RBT6 内置128KB 的Flash，最多内嵌20KB 的SRAM，以CPU 时钟速度访问（读/写），0 等待状态时钟，复位(RESET)，电源管理：-2.03.6 伏供电和I / O-POR, PDR,可编程电压监测器（PVD）-416 MHz 石英振荡器-内置8 MHz 厂家校准RC-内置32 kHz RC-为RTC 专用的32kHz 振荡器及校准STM32F103RBT6 具有低功耗：-睡眠，终止，待机三种模式-VBAT 为RTC 和备份寄存器供电2 x 12-bit, 1 s 数模转换器(16 通道)-转换范围2.0 至3.6 伏-双采样保持功能-与先进的控制定时器同步-温度传感器DMA:-7 通道DMA 控制器-支持的外设，定时器，数模转换器，SPI 接口，i2c 接口，USART 接口DEBUG 模式-串行线debug（SWD）和JTAG 接口STM32F103RBT6 有80 个快速I/O 端口- 32/49/80 5 V-tolerant I/Os-不可中断的读/修改/写操作- 16 个外部中断向量全可映射7 个定时器-三个16 位定时器，每个有4 个IC / OC/ PWM 或脉冲计数器-6 通道16 位先进控制定时器：多达6 个PWM 输出死区时间生成和急停-2 个16 位监视定时器(Independent and Window)- SysTick 定时器：24 位递减计数器STM32F103RBT6 多达9 个通信接口-多达2 个I C 接口（支持SMBus / PMBus）-多达3 个USART（ISO7816 接口，LIN，红外线功能，调制解调器控制）- 2 个SPI 接口（18 Mbit/s）3.1.4 芯片引脚排列说明STM32F103RBT6有64个引脚，采用LQFP64封装形式；排列如下图3-2、图3-3：图3-2 芯片原理图图3-3 芯片封装图3.2 信号发生模块信号发生模块主要部分是AD9834。3.2.1 综述AD9834是一款75 MHz、低功耗DDS器件，能够产生高性能正弦波和三角波输出。其片内还集成一个比较器，支持产生方波以用于时钟发生。当供电电压为3 V时，其功耗仅为20 mW，非常适合对功耗敏感的应用。AD9834提供相位调制和频率调制功能。频率寄存器为28位；时钟速率为75 MHz，可以实现0.28 Hz的分辨率。同样，时钟速率为1 MHz时，AD9834可以实现0.004 Hz的分辨率。影响频率和相位调制的方法是通过串行接口加载寄存器，然后通过软件或FSELECT/PSELECT引脚切换寄存器。AD9834通过一个三线式串行接口写入数据。该串行接口能够以最高40 MHz的时钟速率工作，并且与DSP和微控制器标准兼容。该器件采用2.3 V至5.5 V电源供电。模拟和数字部分彼此独立，可以采用不同的电源供电；例如，AVDD可以是5 V，而DVDD可以是3 V。AD9834具有掉电引脚(SLEEP)，支持从外部控制掉电模式。器件中不用的部分可以掉电，以将功耗降至最低。例如，在产生时钟输出时，可以关断DAC。3.2.2 特点和优势窄带SFDR 72 dB电源电压范围：2.3 V至5.5 V 电源供电输出频率最高达37.5 MHz正弦波输出/三角波输出片上集成比较器式SPI接口扩展温度范围：40C至+105C掉电选项功耗：20 mW（3 V时）20引脚TSSOP3.2.3 芯片引脚排列及功能FS ADJUST（1脚）：全面调控。在此脚与AGND有个电阻RSET。这决定整个DA转换的电流的幅度。电流和RSET的关系IOUTFULLSCALE=18*FSADJUST/RSET。FSADJUST=1.15V(额定),REST=6.8 K(典型值)。REFOUT（2脚）：输出参考电压。芯片内已有一个1.2V的电压参考值。COMP（3脚）：DA转换偏压。用来耦合偏置电压。AVDD（4脚）：模拟部分正极电源。范围2.3V5.5V，在AVDD和AGND之间应加一个0.1uF的去耦电容。DVDD（5脚）：数字部分正极电源。CAP/2.5V（6脚）：数字电路运行在2.5V下。此电源产生于DVDD，用的是板上调节器。这个调节器需要一个100nF的去耦电容，接在此脚和DGND间，如果DVDD14); if(freq_number = FREQ_0) FREQREG_LSB_14BIT &= (1U15); FREQREG_LSB_14BIT |= 114; FREQREG_MSB_14BIT &= (1U15); FREQREG_MSB_14BIT |= 114; else FREQREG_LSB_14BIT &= (114); FREQREG_LSB_14BIT |= 1U15; FREQREG_MSB_14BIT &= (114); FREQREG_MSB_14BIT |= 1U15; AD9834_Write_16Bits(FREQREG_LSB_14BIT); AD9834_Write_16Bits(FREQREG_MSB_14BIT); 5.4 测试仪器采用RIGOL DS1052E型50M双通道数字示波器。DS1052E型示波器以优异的技术指标及众多功能特性的完美结合，向用户提供了简单而功能明晰的前面板，以进行所有的基本操作。各通道的标度和位置旋钮提供了直观的操作，完全符合传统仪器的使用习惯，用户不必花大量的时间去学习和熟悉示波器的操作，即可熟练使用。为加速调整，便于测量，用户可直接按AUTO键，立即获得适合的波形显现和档位设置。除易于使用之外，示波器还具有更快完成测量任务所需要的高性能指标和强大功能。通过1GSa/s的实时采样和25GSa/s的等效采样，可在示波器上观察更快的信号。强大的触发和分析能力使其易于捕获和分析波形。清晰的液晶显示和数学运算功能，便于用户更快更清晰地观察和分析信号问题。DS1052E示波器向用户提供简单而功能明晰的前面板，以进行基本的操作。面板上包括旋钮和功能按键。显示屏右侧的一列5个灰色按键为菜单操作键（自上而下定义为1号至5号）。通过它们，可以设置当前菜单的不同选项；其它按键为功能键，通过它们，可以进入不同的功能菜单或直接获得特定的功能应用。如图5-2：图5-2 前面板控制及功能值得注意的是，MENU功能键的标识用一方框包围的文字表示，如，代表前面板上的标注Measuee文字的透明功能键。标识为的多功能旋钮，用表示。两个标识为POSITION的旋钮，用表示。两个标识为SCALE的旋钮，用表示。标识为LEVEL的旋钮，用表示。菜单操作键的标识用带阴影的文字表示，如波形存储，表示存储菜单中的存储波形选项。图5-3 显示界面说明（仅模拟通道打开）图5-4 显示界面说明（模拟和数字通道同时打开）5.4.1 技术性能双模拟通道，每通道带宽：50MHz。高清晰彩色液晶显示系统：320234分辨率。支持即插即用闪存式USB存储设备以及USB接口打印机，并可通