【正文】 雙相低頻數(shù)字信號發(fā)生儀論文摘 要信號發(fā)生器是一種能產(chǎn)生模擬電壓波形的設(shè)備，這些波形能夠校驗電子電路的設(shè)計。信號發(fā)生器廣泛用于電子電路、自動控制系統(tǒng)和教學(xué)實驗等領(lǐng)域。目前使用的信號發(fā)生器大部分是函數(shù)信號發(fā)生器，且特殊波形發(fā)生器的價格昂貴。所以本設(shè)計使用的是STM32單片機(jī)構(gòu)成的發(fā)生器，可產(chǎn)生三角波、方波、正弦波、鋸齒波，波形的頻率可用程序控制改變。此系統(tǒng)使用STM32內(nèi)部的DAC轉(zhuǎn)換器，節(jié)約空間和成本。本設(shè)計具有線路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉、性能優(yōu)越等優(yōu)點。兩路信號頻率范圍從1000Hz到2000Hz可調(diào)，步進(jìn)值1Hz，頻率準(zhǔn)確度不低于3%，且每路信號頻率和步進(jìn)值單獨程控可調(diào)；產(chǎn)生兩路頻率相同的正弦信號，程控設(shè)置其相位差，可以在0—360度內(nèi)變化，設(shè)置相位差的精度不大10度；產(chǎn)生的方波占空比在1%—99%范圍內(nèi)可調(diào)，設(shè)置分辨率不低于1%。，每路幅度單獨程控可調(diào)，設(shè)置分辨率不低于100mv；本信號發(fā)生器既可實現(xiàn)產(chǎn)生低頻信號，也可實現(xiàn)產(chǎn)生高頻信號，產(chǎn)生的信號為特定頻率信號。關(guān)鍵詞：信號發(fā)生器，STM32，DDS，波形目 錄第 1 章 緒 論…………………………………………………………4 課題背景………………………………………………………4 數(shù)字信號發(fā)生器簡介…………………………………………4第2章 低頻信號發(fā)生器的方案研究 ……………………………….5 方案的構(gòu)思與選擇……………………………………………5 方案的實現(xiàn)……………………………………………………5第3章 硬件電路的設(shè)計.....................................7 系統(tǒng)總體框圖及其結(jié)構(gòu)分析..........................7 系統(tǒng)框圖展示.....................................7 雙向低頻信號發(fā)生器的使用方法.....................7 硬件模塊展示與分析.................................8 STM32單片機(jī)模塊簡介..............................8 顯示及控制模塊...................................9 電源模塊.........................................10第 4 章 波形產(chǎn)生及其軟件設(shè)計.............................11........................................11............................................11 DDS數(shù)字法信號合成技術(shù).............................11............................................11............................................12 正弦波...........................................13............................................14結(jié) 論.....................................................16參考文獻(xiàn)...................................................17附錄一 試驗完整程序……………………………………………………18附錄二 實驗成果展示……………………………………………………38第 1 章 緒 論 課題背景 隨著電子測量及其他部門對各類信號發(fā)生器的廣泛需求及電子技術(shù)的迅速發(fā)展，促使信號發(fā)生器種類增多，性能提高。尤其隨著70年代微處理器的出現(xiàn)，更促使信號發(fā)生器向著自動化、智能化方向發(fā)展?，F(xiàn)在，許多信號發(fā)生器帶有微處理器，因而具備了自校、自檢、自動故障診斷和自動波形形成和修正等功能，可以和控制計算機(jī)及其他測量儀器一起方便的構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。當(dāng)前信號發(fā)生器總的趨勢是向著寬頻率覆蓋、低功耗、高頻率精度、多功能、自動化和智能化方向發(fā)展。在科學(xué)研究、工程教育及生產(chǎn)實踐中，如工業(yè)過程控制、教學(xué)實驗、機(jī)械振動試驗、動態(tài)分析、材料試驗、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，常常需要用到低頻信號發(fā)生器。而在我們?nèi)粘Ｉ钪?，以及一些科學(xué)研究中，鋸齒波和正弦波、矩形波信號是常用的基本測試信號。譬如在示波器、電視機(jī)等儀器中，為了使電子按照一定規(guī)律運動，以利用熒光屏顯示圖像，常用到鋸齒波產(chǎn)生器作為時基電路。信號發(fā)生器作為一種通用的電子儀器，在生產(chǎn)、科研、測控、通訊等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。 但市面上能看到的儀器在頻率精度、帶寬、波形種類及程控方面都已不能滿足許多方面實際應(yīng)用的需求。加之各類功能的半導(dǎo)體集成芯片的快速生產(chǎn)，都使我們研制一種低功耗、寬頻帶，能產(chǎn)生多種波形并具有程控等低頻的信號發(fā)生器成為可能。 數(shù)字信號發(fā)生器簡介 數(shù)字信號指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個數(shù)值之內(nèi)。二進(jìn)制碼就是一種數(shù)字信號。二進(jìn)制碼受噪聲的影響小，易于有數(shù)字電路進(jìn)行處理，所以得到了廣泛的應(yīng)用。凡是產(chǎn)生測試信號的儀器，統(tǒng)稱信號源也稱為信號發(fā)生器，它用于產(chǎn)生被測電路所需特定參數(shù)的電測試信號。在測試、研究或調(diào)整電子電路及設(shè)備時，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應(yīng)、 噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號，以模擬在實際工作中使用的待測設(shè)備的激勵信號。當(dāng)要求進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測量時，需使用振幅、頻率已知的正弦信號源。當(dāng)測試系統(tǒng)的瞬態(tài)特性時，又需使用前沿時間、脈沖寬度和重復(fù)周期已知的矩形脈沖源。并且要求信號源輸出信號的參數(shù)，如頻率、波形、輸出電壓或功率等，能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)整，有很好的穩(wěn)定性，有輸出指示。 第2章 低頻雙相信號發(fā)生器的方案研究 總體方案構(gòu)思與選擇 波形發(fā)生器可以基于模擬技術(shù)，也可以基于數(shù)字技術(shù)。模擬發(fā)生器利用模擬硬件來產(chǎn)生簡單的函數(shù)，并在需要指定頻率的靜態(tài)正弦波或方波時經(jīng)常使用。而數(shù)字函數(shù)發(fā)生器采用直接數(shù)字綜合技術(shù)，DAC，數(shù)字信號處理。 。根據(jù)設(shè)計要求，為實現(xiàn)發(fā)生儀應(yīng)有的功能，選擇使用單片機(jī)、定時器、DA轉(zhuǎn)換器作為信號發(fā)生部分，由真彩屏作為人機(jī)界面的設(shè)計思路。構(gòu)思框圖如下圖所示。 圖211 構(gòu)思框圖 方案的實現(xiàn)根據(jù)雙向低頻信號發(fā)生器的功能需要，我們選用stm32單片機(jī)。使用STM32減少了外拓替他芯片，提高了一起的系統(tǒng)可靠性，其計算能力更強(qiáng)，計算速度更快，提高了波形實現(xiàn)的準(zhǔn)確度。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM CortexM3內(nèi)核。按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強(qiáng)型”系列和STM32F101“基圖221 STM32單片機(jī) 本型”系列。增強(qiáng)型系列時鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本 型時鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時鐘頻率72MHz時，從閃存執(zhí)行代 碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品。 ，及電子觸摸屏。，同時又能直接方便的調(diào)節(jié)對各通道各波形參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；在一種對外界完全隔離的環(huán)境下工作，不怕灰塵、水汽和油污，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境；可以用任何物體來觸摸，穩(wěn)定性較好；四層結(jié)構(gòu)造成其透光率較低；使用壽命相對較長；屏幕比較便宜；反應(yīng)靈敏度也較好。 第3章 硬件電路的設(shè)計 系統(tǒng)總體框圖及其結(jié)構(gòu)分析 系統(tǒng)框圖展示 雙向低頻信號發(fā)生器系統(tǒng)主要由CPU、定時器、兩路12位DA轉(zhuǎn)換器、控制及顯示電路、供電電源等電路組成。系統(tǒng)總體框圖如下圖所示。圖3111 系統(tǒng)總體框圖 雙向低頻信號發(fā)生器的使用方法雙向低頻信號發(fā)生器通過320*240彩色觸摸屏作為人機(jī)界面調(diào)節(jié)兩路波形，波形幅度，波形頻率以及方波的占空比和正弦波的相位差。如圖3121的顯示及控制界面圖，觸摸通道一下方的開（即打開通道一），點按通道區(qū)域波形處,即可改變波形（依次由三角波，正弦波，方波，鋸齒波進(jìn)行循環(huán)調(diào)節(jié)）；在確定波 形以后，可點按通道一的頻率區(qū)進(jìn)行 圖3121 顯示及控制界 1000Hz~2000Hz的頻率調(diào)節(jié)，其中每點按一次頻率區(qū)依次對頻率的千、百、十、個位進(jìn)行上下調(diào)節(jié)（上下由調(diào)頻處的上下按鍵改變）；點按通道一的幅度區(qū)對幅度調(diào)節(jié)，；特別的對于方波觸摸通道一的占空比處可改變方波的占空比大小(由1%~99%進(jìn)行循環(huán))，每點按一次增加1%；同樣的方式對通道二各波形參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外在兩路正弦波處于工作顯示狀態(tài)時，可點按相位差處對兩路相位差進(jìn)行調(diào)節(jié)（0176。~360176。進(jìn)行循環(huán)），每點按一次相位差增加1176。在各通道，各參數(shù)都確定以后，觸摸左上方“輸出”按鍵，即可輸出所要求的波形。、 硬件模塊展示與分析 STM32單片機(jī)模塊簡介STM32F103內(nèi)部主要配置： 內(nèi)核：ARM32位CortexM3 CPU，最高工作頻率72MHz。單周期乘法和硬件除法。 存儲器：片上集成32512KB的Flash存儲器。664KB的SRAM存儲器。 時鐘、復(fù)位和電源管理：。POR、PDR和課編程的電壓探測器（PVD）。416MHz的晶振。內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHz RC振蕩電路。內(nèi)部40 kHz的RC振蕩電路。用于CPU時鐘的PLL。帶校準(zhǔn)用于RTC的32kHz的晶振。低功耗：3種低功耗模式：休眠，停止，待機(jī)模式。為RTC和備份寄存器供電的VBAT?！　≌{(diào)試模式：串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口?！　D3211 STM32最小系統(tǒng) DMA：12通道DMA控制器。支持的外設(shè)：定時器，ADC，DAC，SPI，IIC和USART。　　2個12位的us級的A/D轉(zhuǎn)換器（16通道）：A/D測量范圍： V。雙采樣和保持能力。片上集成一個溫度傳感器。2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE獨有。　　最多高達(dá)112個的快速I/O端口：根據(jù)型號的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16個外部中斷向量。除了模擬輸入，所有的都可以接受5V以內(nèi)的輸入。　　最多多達(dá)11個定時器：4個16位定時器，每個定時器有4個IC/OC/PWM或者脈沖計數(shù)器。2個16位的6通道高級控制定時器：最多6個通道可用于PWM輸出。2個看門狗定時器（獨立看門狗和窗口看門狗）。Systick定時器：24位倒計數(shù)器。2個16位基本定時器用于驅(qū)動DAC。最多多達(dá)13個通信接口：2個IIC接口（SMBus/PMBus）。5個USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，調(diào)試控制）。3個SPI接口（18 Mbit/s），兩個和IIS復(fù)用。CAN接口（）。USB 。SDIO接口。 顯示及控制模塊液晶屏配置簡介：: TFT: 240*320: *** mm* 8. 接口類型: 8080 8/16位并口模式 9. :COG+FPC 圖3221 液晶屏引腳配置:全視角 電阻式觸摸屏是一種傳感器，它 將矩形區(qū)域中的觸摸點（X,Y）的物理位置轉(zhuǎn)換為代表X坐標(biāo)和y坐標(biāo)的電壓。很多LCD模塊都采用了電阻式觸摸屏，這種屏幕可以用四線，五線，七線或八線來產(chǎn)生屏幕偏置電壓，同時讀回觸摸點的電壓。 電阻式觸摸屏基本上是薄膜加上玻璃的結(jié)構(gòu)，當(dāng)觸摸時，薄膜下層的ITO會接觸到玻璃上層的ITO，經(jīng)由感應(yīng)器傳出一個訊息，再從控制器送到計算機(jī)端，藉由驅(qū)動程序轉(zhuǎn)化到屏幕上的X、Y值，而完成點選的動作，并呈現(xiàn)在屏幕上。 ，同時又能直接方便的調(diào)節(jié)對各通道各波形參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)； 在一種對外界完全隔離的環(huán)境下工作，不怕灰塵、水汽和油污，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境；可以用任何物體來觸摸，穩(wěn)定性較好，；四層結(jié)構(gòu)造成其透光率較低；使用壽命相對較長；屏幕比較便宜；反應(yīng)靈敏度也較好。 電源模塊 STM32的工作電壓(VDD)～。 當(dāng)主電源VDD掉電后，通過VBAT腳為實時時鐘(RTC)和備份寄存器提供電源。 圖3231 圖3232第 4 章 波形產(chǎn)生及其軟件設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求而設(shè)計的，能可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。系統(tǒng)的軟件包括以下幾個程序模塊：初始化程序；鍵盤掃描程序與處理程序；定時器2服務(wù)程序；正弦波、三角波、方波、鋸齒波發(fā)生程序及其服務(wù)程序；中斷處理程序等等。詳細(xì)見附錄1。 DDS數(shù)字法信號合成技術(shù)DDS技術(shù)是采用直接數(shù)字合成（Direct Digital Synthesis）的方法實現(xiàn)信號產(chǎn)生。該技術(shù)具有頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率高、易于控制的突出特點。直接數(shù)字合成技術(shù)近年來發(fā)展得很快，而要產(chǎn)生任意波形就必須采用直接數(shù)字很成技術(shù)。數(shù)字函數(shù)發(fā)生器 圖4211 DDS原理圖 采用直接數(shù)字綜合DDS，DAC，數(shù)字信號處理，以及一個單周期存儲緩沖器來產(chǎn)生信號。DDS技術(shù)依賴數(shù)字控制的方法，利用單基準(zhǔn)時鐘頻率來實現(xiàn)一個模擬頻率源。DDS能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高分辨率，高溫度穩(wěn)定度，高寬帶，以及隨機(jī)的和相位連續(xù)的頻率切換。矩形波被廣泛用于數(shù)字開關(guān)電路， 矩形波電壓只有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因為產(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因為輸出狀態(tài)應(yīng)按一定的時間間隔交