1、摘 要I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
2、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， AD9834ABSTRACTIIABSTRACTSignal generator can generate multiple functions is a signal of the instrument, common have a sine wave, square wave, triangle wave, etc. In toda
3、ys 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. Most of the traditional sine wave signal generator is designed based on analog electronic technology, this is simple and low cost
4、 production source, but it has many shortcomings, such as it is not easy to store,its frequency stability is poor, high distortion and so on.DDS is a new synthetic principle which based on the all-digital technology, starting from the concept of phase direct synthesis of waveforms required.This desi
5、gn uses DDS and microcontroller technology, the AD9850 DDS chip to the core ,design a sine wave signal generator,whose magnitude, phase, frequency can be regulated.Its not only can overcome the traditional shortcomings of the sine wave signal generator, and the amplitude circuit is produced by the a
6、nalog multiplier , the digital keying is used to achieve binary PSK, ASK signal, and it has wide band, high frequency stability, wave good. The signal generator has a stronger market competitiveness, in the frequency hopping, radio communication technology has relatively broad prospects for developm
7、ent.Key words: signal generator, STM32F103RBT6, DDS, AD9834目 录III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 12
8、3.2.1 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目录IV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
9、.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1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
10、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 D
11、DS 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;
12、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。电子科技大学成都学院本科毕业设计论文21.2 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、
13、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3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
14、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
15、意法半导体公司的 32 位微处理器 STM32F103RBT6 作为主控电子科技大学成都学院本科毕业设计论文4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
16、 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
17、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
18、 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。 第 2 章 方案论证5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
19、，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
20、 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
21、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电子科技大学成都学院本科毕业设计论文6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 CH3
22、40 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 ） ，
23、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
24、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,即可第 2 章 方案论证7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
25、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
26、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。电子科技大学成都学院本科毕业设计论文8第 3 章 硬件模块详解3
27、.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 内部结构图第 3 章 硬件模块详解93.1.3 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
28、,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-VBA
29、T 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 接口电子科技大学成都学院本科毕业设计论文10DEBUG 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，
30、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
31、形式；排列如下图 3-2、图 3-3：第 3 章 硬件模块详解11图 3-2 芯片原理图图 3-3 芯片封装图电子科技大学成都学院本科毕业设计论文123.2 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
