1、摘 要信号发生器是一种能产生模拟电压波形的设备，这些波形能够校验电子电路的设计。信号发生器广泛用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。目前使用的信号发生器大部分是函数信号发生器，且特殊波形发生器的价格昂贵。所以本设计使用的是 STM32 单片机构成的发生器，可产生三角波、方波、正弦波、锯齿波，波形的频率可用程序控制改变。此系统使用 STM32 内部的 DAC 转换器，节约空间和成本。本设计具有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。两路信号频率范围从 1000Hz 到 2000Hz 可调，步进值 1Hz，频率准确度不低于 3%，且每路信号频率和步进值单独程控可调；产生两路频率相同的正
2、弦信号，程控设置其相位差，可以在 0360 度内变化，设置相位差的精度不大 10 度；产生的方波占空比在1%99%范围内可调，设置分辨率不低于 1%。两路信号输出最大幅度不低于2.5V，每路幅度单独程控可调，设置分辨率不低于 100mv；本信号发生器既可实现产生低频信号，也可实现产生高频信号，产生的信号为特定频率信号。关键词：信号发生器，STM32，DDS，波形目 录双相低频数字信号发生仪论文1第 1 章 绪 论41.1 课题背景41.2 数字信号发生器简介4第 2章 低频信号发生器的方案研究 .52.1 方案的构思与选择52.2 方案的实现5第 3章 硬件电路的设计.73.1 系统总体框图及
3、其结构分析.73.1.1 系统框图展示.73.1.2 双向低频信号发生器的使用方法.73.2 硬件模块展示与分析.83.2.1 STM32单片机模块简介.83.2.2 显示及控制模块.93.2.3 电源模块.10第 4 章 波形产生及其软件设计.114.1软件总体设计.114.2波形产生.114.2.1 DDS数字法信号合成技术.114.2.2矩形波.114.2.3三角波.124.2.4 正弦波.134.2.5锯齿波.14结 论.16参考文献.17附录一 试验完整程序18附录二 实验成果展示38双相低频数字信号发生仪论文2第 1 章 绪 论1.1 课题背景随着电子测量及其他部门对各类信号发生器
4、的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着 70 年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，许多信号发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常
5、用的基本测试信号。譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。信号发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。 但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都使我们研制一种低功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。1.2 数字信号发生器简介数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得
6、到了广泛的应用。凡 是 产 生 测 试 信 号 的 仪 器 ， 统 称 信 号 源 也 称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、 噪声系数，为电双相低频数字信号发生仪论文3压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好
7、的稳定性，有输出指示。 双相低频数字信号发生仪论文4第 2 章 低频双相信号发生器的方案研究2.1 总体方案构思与选择波形发生器可以基于模拟技术，也可以基于数字技术。模拟发生器利用模拟硬件来产生简单的函数，并在需要指定频率的静态正弦波或方波时经常使用。而数字函数发生器采用直接数字综合技术，DAC，数字信号处理。 。根据设计要求，为实现发生仪应有的功能，选择使用单片机、定时器、DA 转换器作为信号发生部分，由真彩屏作为人机界面的设计思路。构思框图如下图所示。 图 2-1-1 构思框图2.2 方案的实现根据双向低频信号发生器的功能需要，我们选用 stm32 单片机。使用 STM32 减少了外拓替他
8、芯片，提高了一起的系统可靠性，其计算能力更强，计算速度更快，提高了波形实现的准确度。STM32 系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 ARM Cortex-M3 内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基图 2-2-1 STM32 单片机 本型”系列。增强型系列时钟频率达到 72MHz，是同类产双相低频数字信号发生仪论文5品中性能最高的产品；基本 型时钟频率为 36MHz，以 16 位产品的价格得到比 16位产品大幅提升的性能，是 16 位产品用户的最佳选择。两个系列都内置 32K 到128K 的闪存，不同的是 SRAM 的
9、最大容量和外设接口的组合。时钟频率 72MHz 时，从闪存执行代 码，STM32 功耗 36mA，是 32 位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。控制及显示界面选用的是 TFT2.4 寸的 LCD 液晶显示屏，及电子触摸屏。采用 2.4寸彩色液晶显示屏作为人机交互界面既美观，同时又能直接方便的调节对各通道各波形参数进行调节；在一种对外界完全隔离的环境下工作，不怕灰尘、水汽和油污，能适应各种恶劣环境；可以用任何物体来触摸，稳定性较好；四层结构造成其透光率较低；使用寿命相对较长；屏幕比较便宜；反应灵敏度也较好。 双相低频数字信号发生仪论文6第 3 章 硬件电路的设计3.1 系统总体框图
10、及其结构分析3.1.1 系统框图展示双向低频信号发生器系统主要由 CPU、定时器、两路 12 位 DA 转换器、控制及显示电路、供电电源等电路组成。系统总体框图如下图所示。A R M 3 2 位的 C o r t e x - M 3 C P U 内置 1 2 位D A C 1内置 1 2 位D A C 2T F T 2 . 4 寸 触 彩色液晶 摸显示屏 屏 通用 定时器 2供电电源示波器检测S T M 3 2 F 1 0 3 信号 2信号 1图 3-1-1-1 系统总体框图3.1.2 双向低频信号发生器的使用方法双向低频信号发生器通过320*240 彩色触摸屏作为人机界面调节两路波形，波形幅
11、度，波形频率以及方波的占空比和正弦波的相位差。如图 3-1-2-1 的显示及控制界面图，触摸通道一下方的开（即打开通道一） ，点按通道区域波形处,即可改变波形（依次由三角波，正弦波，方波，锯齿波进行循环调节） ；在确定波 形以后，可点按通道一的频率区进行双相低频数字信号发生仪论文7图 3-1-2-1 显示及控制界 1000Hz2000Hz 的频率调节，其中每点按一次频率区依次对频率的千、百、十、个位进行上下调节（上下由调频处的上下按键改变） ；点按通道一的幅度区对幅度调节，每点按一次幅度值增加 0.1V；特别的对于方波触摸通道一的占空比处可改变方波的占空比大小(由 1%99%进行循环)，每点按
12、一次增加 1%；同样的方式对通道二各波形参数进行调节。另外在两路正弦波处于工作显示状态时，可点按相位差处对两路相位差进行调节（0360进行循环），每点按一次相位差增加 1。在各通道，各参数都确定以后，触摸左上方“输出”按键，即可输出所要求的波形。 、3.2 硬件模块展示与分析3.2.1 STM32 单片机模块简介STM32F103 内部主要配置： 内核：ARM32 位 Cortex-M3 CPU，最高工作频率 72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。存储器：片上集成 32-512KB的 Flash 存储器。 6-64KB 的SRAM 存储器。时钟、复位和电源管理：2.0-
13、3.6V 的电源供电和 I/O 接口的驱动电压。POR、PDR 和课编程的电压探测器（PVD）。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的 8MHz RC 振荡电路。内部 40 kHz 的RC 振荡电路。用于 CPU 时钟的 PLL。带校准用于 RTC 的 32kHz 的晶振。低功耗：3 种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。为 RTC 和备份寄存器供电的 VBAT。调试模式：串行调试（SWD）和 JTAG 接口。图 3-2-1-1 STM32 最小系统双相低频数字信号发生仪论文8DMA：12 通道 DMA 控制器。支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI ，IIC 和USART。2 个 12 位
14、的 us 级的 A/D 转换器（16 通道）：A/D 测量范围：0-3.6 V。双采样和保持能力。片上集成一个温度传感器。2 通道 12 位 D/A 转换器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE 独有。最多高达 112 个的快速 I/O 端口：根据型号的不同，有 26，37 ，51，80，和 112 的I/O 端口，所有的端口都可以映射到 16 个外部中断向量。除了模拟输入，所有的都可以接受5V 以内的输入。最多多达 11 个定时器：4 个 16 位定时器，每个定时器有 4 个 IC/OC/PWM 或者脉冲计数器。2 个 16 位的 6 通道高级控制定时器：最
15、多 6 个通道可用于 PWM 输出。2 个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。Systick 定时器：24 位倒计数器。 2 个 16 位基本定时器用于驱动 DAC。最多多达 13 个通信接口：2 个IIC 接口（ SMBus/PMBus）。5 个USART 接口（ISO7816 接口，LIN，IrDA 兼容，调试控制）。3 个SPI 接口（18 Mbit/s），两个和IIS 复用。 CAN 接口（2.0B ）。USB 2.0 全速接口。SDIO 接口。3.2.2 显示及控制模块液晶屏配置简介：1.模块名称2.4 寸 240x320 全视角液晶显示模块 3.显示模式 : TFT4.分辨率
16、: 240*3205.尺寸: 42.72*60.26*2.1mm双相低频数字信号发生仪论文96.可视面积 37.72*49.96 mm7.点阵区 36.72*48.96mm 8.接口类型: 8080 8/16 位并口模式 9.9.连接类型 :COG+FPC 图 3-2-2-1 液晶屏引脚配置10.视角:全视角 电阻式触摸屏是一种传感器，它 将矩形区域中的触摸点（X,Y）的物理位置转换为代表 X 坐标和 y 坐标的电压。很多 LCD 模块都采用了电阻式触摸屏，这种屏幕可以用四线，五线，七线或八线来产生屏幕偏置电压，同时读回触摸点的电压。电阻式触摸屏基本上是薄膜加上玻璃的结构，当触摸时，薄膜下层的
17、 ITO 会接触到玻璃上层的 ITO，经由感应器传出一个讯息，再从控制器送到计算机端，藉由驱动程序转化到屏幕上的 X、Y 值，而完成点选的动作，并呈现在屏幕上。采用 2.4 寸彩色液晶显示屏作为人机交互界面既美观，同时又能直接方便的调节对各通道各波形参数进行调节；在一种对外界完全隔离的环境下工作，不怕灰尘、水汽和油污，能适应各种恶劣环境；可以用任何物体来触摸，稳定性较好，；四层结构造成其透光率较低；使用寿命相对较长；屏幕比较便宜；反应灵敏度也较好。 3.2.3 电源模块 STM32 的工作电压(VDD)为 2.03.6V。通过内置的电压调节器提供所需的 1.8V电源。 当主电源 VDD 掉电后，通过 VBAT 脚为实时时钟(RTC)和备份寄存器提供电源。图 3-2-3-1
