基于STM32的簡易信號發(fā)生器

1、 紹 興 文 理 學 院數 理 信 息 學 院 課 程 設 計 報 告 書 題目 基于STM32的簡易信號發(fā)生器 電子信息工程 專業(yè) 1班 姓 名 xxx 指導教師 xxx 時 間 2014年 7月12日 課程設計任務書 班 級電信111姓 名xx題 目基于STM32的簡易信號發(fā)生器技術參數、設計要求、檢測數據等要求采用DDS方法：（1）該信號發(fā)生器應能產生三角波、正弦波、方波、鋸齒波（2）該信號發(fā)生器為單極性輸出，0V3.3V（3）該信號發(fā)生器發(fā)生信號的基本頻率1KHZ，頻率可調（1KHZ5KHZ，步進10HZ）（4）該信號發(fā)生器信號初始相位可調（0-360度，步進1度）（5）功能選擇由按鍵

2、完成設計進度安排或工作計劃2014.7.3 2014.7.5： 教師布置課題，學生查詢相關資料，完成方案選擇、確定驗證方案。2014.7.62014.7.7： 設計模塊劃分、實現及各模塊仿真圖設計。2014.7.82014.7.10：設計整體實現、調試及驗證，并開始撰寫報告。2014.7.112014.7.12：課程設計報告撰寫并定稿，上交。其 它認真閱讀智能儀器儀表課程設計報告撰寫規(guī)范；課題小組經協商好要指定組長并明確分工，形成良好團隊工作氛圍；基于課題基本要求，各小組與指導老師討論，再將課題細化、增加要求；課題小組每成員均需各自撰寫一份課程設計報告。II 基于STM32的簡易波形發(fā)生器 摘

3、 要 函數信號發(fā)生器是一種能夠產生多種波形，如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等的電路。函數信號發(fā)生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。通過對函數波形發(fā)生器的原理以及構成分析，可設計一個能變換出以上波形的波形發(fā)生器。本課題采用STM321 為控制芯片，采用DDS2的設計方法，可將采樣點經D/A3轉換后輸出任意波形，可通過調節(jié)D/A轉換的頻率來調節(jié)輸出波形的頻率，也可通過改變取點的起始位置來調節(jié)波形的初始相位。 關鍵詞 信號發(fā)生器 STM32 DDS 目 錄課程設計任務書I摘要.II1設計概述12設計方案23設計實現33.1設計框圖及流程圖33.2MCU控制模塊53.3按鍵控制模塊53.4信

4、號輸出模塊63.5LCD顯示模塊84設計驗證85總結11 1 設計概述信號發(fā)生器作為一種歷史悠久的測量儀器，早在20年代電子設備剛出現時就產生了。隨著通信和雷達技術的發(fā)展，40年代出現了主要用于測試各種接收機的標準信號發(fā)生器，使得信號發(fā)生器從定性分析的測試儀器發(fā)展成定量分析的測量儀器。同時還出現了可用來測量脈沖電路或作脈沖調制器的脈沖信號發(fā)生器。自60年代以來信號發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現了函數發(fā)生器。這個時期的信號發(fā)生器多采用模擬電子技術，由分立元件或模擬集成電路構成，其電路結構復雜，且僅能產生正弦波、方波、鋸齒波和三角波等幾種簡單波形。自從70年代微處理器出現以后，利用微處理器、模數轉換器

5、和數模轉換器，硬件和軟件使信號發(fā)生器的功能擴大，產生比較復雜的波形。這時期的信號發(fā)生器多以軟件為主，實質是采用微處理器對D/A的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。在80年代以后，數字技術日益成熟，信號發(fā)生器絕大部分不再使用機械驅動而采用數字電路，從一個頻率基準有數字合成電路產生可變頻率信號。90年代末出現了集中真正高性能的函數信號發(fā)生器，HP公司推出了型號為HP770S的信號模擬裝置系統，它是由HP8770A任意波形數字化和HP1770A波形發(fā)生軟件組成。信號發(fā)生器技術發(fā)展至今，引導技術潮流的仍是國外的幾大儀器公司，如日本橫河、Agilent、Tektronix等。美國的FLUKE公司的FL

6、UKE-25型函數發(fā)生器是現有的測試儀器中最具多樣性功能的幾種儀器之一，它和頻率計數器組合在一起，在任何條件下都可以給出很高的波形質量，能給出低失真的正弦波和三角波，還能給出過沖很小的快沿方波，其最高頻率可達到5MHz，最大輸出幅度可達到10Vpp。國內也有不少公司已經有了類似的儀器。如南京盛普儀器科技有限公司的SPF120DDS信號發(fā)生器，華高儀器生產的HG1600H型數字合成函數任意波形信號發(fā)生器。國內信號發(fā)生器起步晚，但發(fā)展至今，已經漸漸跟上國際的腳步，能夠利用高新技術開發(fā)出達到國際水平的高性能多功能信號發(fā)生器。信號發(fā)生器在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用，各種波形曲線均可用三角函數方

7、程式來表達。函數信號發(fā)生器是各種測試和實驗過程中不可缺少的工具，在通信、測量雷達、控制教學等領域應用十分廣泛。不論是在生產、科研還是在教學上，信號發(fā)生器都是電子工程師信號仿真實驗的最佳工具。而且，信號發(fā)生器的設計方法多，設計技術也越來越先進，隨著我國經濟和科技的發(fā)展，對對應的測試儀器和測試手段也提出了更高的要求，信號發(fā)生器已成為測試儀器中至關重要的一類，因此，開發(fā)信號發(fā)生器具有重大意義。 2 設計方案方案一：模數結合實現，一般是在模擬電路上產生函數信號波形，而用數字方式改變信號的頻率和幅度。如采用D/A裝換器與壓控電路改變信號頻率，用數控放大器或數控衰減器改變信號幅度等。方案二：模擬電路實現，

8、全采用模擬電路，可用正弦波發(fā)生器產生正弦波信號，然后過零比較產生方波，再經積分電路產生三角波。這種方法電路簡單，并具有良好的正弦波和方波信號。但要通過積分器電路產生同步的三角波信號，存在較大難度。原因是積分電路的積分時間常數通常不變，而隨著方波頻率改變，積分器輸出的三角波幅度將同時改變。若要保持三角波幅度，就得同時改變積分時間長度的大小，要實現這點會很難。方案三：數字電路實現，采用DDS方法，任何頻率的波形都可看做由一系列的取樣點所組成，可事先將各波形的數據點存儲在ROM中，再通過時鐘的控制順序從ROM中讀出，再經D/A轉化器進行逐點恢復。這種方案的波形精度主要取決于函數信號波形的存儲點數、D

9、/A轉換器的轉換速度、以及整個電路的時序處理等。設取樣時鐘頻率為，一個正弦波由N個取樣點構成，頻率控制字為K，則輸出正弦波信號的頻率為 公式2-1其信號頻率的高低，是通過改變D/A轉換器輸入數字量的速率或是取點數量來實現的。這種方案在信號頻率較低時，具有較好的波形質量。隨著信號頻率提高，需要提高輸入數字量的速率，或減少波形點數。波形點數的減少，將直接影響函數型號波形的質量，而數字量的輸入速率的提高也是有限。因此，該方案比較適合低頻信號，而較難產生高頻（如1MHz以上）信號。經上各方案比較，為切合本次課題，故采用方案三。 3 設計實現本課題硬件原理圖較為簡單，僅有一單片機STM32F103ZET

10、6及相應的一些外圍器件，每種波形在ROM中都存了360個點，在保持波形失真不太明顯的條件下，最高頻率時可取點40個，此時需要外加RC低通濾波器，使得輸出波形較為平滑。系統時鐘頻率為72MHz，理論上取40個點的輸出波形頻率為1.8MHz，但在不同頻率下，經過RC低通濾波后的波形會有幅值上的衰減，衰減程度在不同頻率下也各不相同，此時可在RC濾波后加入放大器提高幅值，由于此次設計不對5KHz以上頻率的波形有過多要求，所以幅值的變化不做太多的關注，僅嘗試提高頻率。顯示部分采用LCD12864，此LCD與MCU連接較易，僅需片選線、電源線、時鐘線及串行數據線，用法也較簡單，內置中文字庫，4*16點陣完

11、全夠實現本次課題所需顯示。本設計原理圖見附錄。3.1 設計框圖及流程圖本設計由四個模塊組成：MCU控制模塊、按鍵模塊、信號輸出模塊和LCD顯示模塊。如圖3-1所示：圖3-1 系統框圖 本設計的流程圖如圖3-2，主要需要完成的任務有：按鍵掃描、LCD的顯示和D/A轉換。因此在主程序中對各個模塊進行初始化。圖3-2 主函數流程圖 程序主函數包括時鐘樹、GPIO口、中斷的初始化。本設計利用定時器觸發(fā)DAC轉換器的DMA傳輸，事先將各波形的取樣點存在ROM中，在定時器作用下，將點取出，由DMA傳輸至D/A轉換，輸出，由于DMA傳輸不受主程序控制，因此主程序無需保持其運行。按鍵控制信號的變換，每個按鍵對

12、應一個IO口，當按鍵按下時電平觸發(fā)外部中斷，此時打開定時器，產生一個20ms的延時去抖動，進入定時器中斷后判斷IO口的電平是否與記錄的鍵值相同，若相同則說明確有按鍵按下。相同的按鍵有有著不同的鍵值，不同的鍵值搭配在程序內對應不同的狀態(tài)。此時根據不同的鍵值所對應的不同的狀態(tài)選擇將要執(zhí)行的操作。在波形結構體中保存了“波形”、“幅值”、“頻率”和“相位”四個參數信息，利用按鍵更改其中的值，按下“完成”鍵后確定修改狀態(tài)，接著將目前狀態(tài)的各個參數信息顯示在LCD上，由此可完成對波形的自由修改。通過LCD顯示波形信息，可提高操作的可視性和便捷性。STM32F103ZET6硬件資源豐富，具有512KB的FL

13、ASH ROM和64KB的SRAM，具有144個引腳和105個GPIO口，因此采用獨立按鍵邊沿觸發(fā)的方法來檢測按鍵。LCD12864采用串行方式傳輸數據，只需三根數據線。DAC外設具有兩個輸出通道，通道1相位可調，通道2用作與通道1對比相位衡為0°。因此采用如表3-1引腳分配表。表3-1 引腳分配表引腳功能PA0“減”鍵PB10“加”鍵PB11“確定”鍵PB12“右”鍵PB13“左”鍵PB14“上”鍵PB15“下”鍵PE15LCD12864片選PE11LCD12864數據PE7LCD12864時鐘PA4信號輸出通道1PA5信號輸出通道23.2 MCU控制模塊系統的MCU采用STM32

14、F103ZET6作為控制模塊，主要完成按鍵掃描、信號輸出、LCD顯示等。STM32系列單片機具有內置DAC轉換器和DMA控制器，并有最高72MHz的主頻，可完成較高頻率信號的穩(wěn)定輸出。3.3 按鍵控制模塊系統采用一個搖桿（包含“上”、“下”、“左”、“右”、“選擇”鍵）和兩個獨立按鍵（“加”鍵、“減”鍵）來控制輸出波形的特征。由于STM32單片機的定時器資源豐富，因此按鍵消抖延時采用定時器中斷的方式。按鍵掃描模塊的程序流程圖如圖3-3、圖3-4所示： 圖3-3 外部中斷流程圖 圖3-4 定時器中斷流程圖 當確定有按鍵按下時，判斷鍵值并完成相應的動作。其中“上”、“下”、“左”、“右”鍵切換將要

15、更改的波形特征，“加”鍵和“減”鍵修改波形特征的值，如“幅值”、“頻率”和“相位”。3.4 信號輸出模塊單片機的DAC外設、DMA控制器和定時器共同協作完成信號波形的輸出。信號輸出采用定時器觸發(fā)DMA傳輸數據到DAC寄存器的方式，可大大降低信號輸出對CPU的占用率并提高波形的精準性。DAC信號輸出的流程圖如圖3-5所示：圖3-5 D/A轉換流程圖 輸出波形分別為：正弦波、方波、三角波、鋸齒波。程序中采用四個常數數組保存波形值。為了方便相位的變換，每個數組保存了360個波形數據。通過將常數數組中的固定值乘以一個比例系數后保存到新數組中，并將新數組的地址與DAC轉換寄存器的地址通過DMA控制器關聯

16、，完成幅值的變換。初始相位的更改，只需更改數據的起始取樣點即可。本設計的難點是頻率的提高。根據公式2-1可得出，要改變信號的頻率，可以通過改變頻率控制字K或改變DAC頻率實現。當到達一定值時，完成一次DAC轉換的時間將大于DMA傳輸的時間間隔，此時會出現部分值無法被轉換的情況，因此不可太高。通過調整頻率控制字K也可提高信號的頻率，即波形數據中每K個點取樣一個點，可使頻率大大提高。但是由于頻率控制字K的提高會造成波形的明顯失真，所以波形的輸出采用一級RC低通濾波器進行濾波，平滑波形。綜上所述，當頻率低于課題的基本要求5KHz時，通過改變實現頻率的變換。當頻率大于5KHz時，通過改變頻率控制字K提

17、高信號的頻率，并將波形通過RC低通濾波器濾波。RC濾波網絡如圖3-6所示： 圖3-6 RC濾波網絡原理圖根據RC濾波網絡截止頻率公式 公式3-1根據輸出波形的頻率適當調節(jié)R4的阻值可較好地實現低通濾波，平滑波形輸出。3.5 LCD顯示模塊本設計通過LCD12864顯示波形信息，MCU與LCD12864通過串行方式傳輸數據，當波形發(fā)生變化時立即更新LCD顯示信息，實現了人機界面的交互。4 設計驗證在RVMDK上編寫程序，編譯無誤后下載到MCU,將LCD與MCU連接，用示波器觀察D/A輸出波形，并通過相關的按鈕操作，觀察LCD上功能切換的顯示，各波形的輸出頻率相位的調節(jié)顯示，對應示波器的各波形參數

18、是否一致。調試結果如下。 圖4-1 正弦波 圖4-2 方波 圖4-3 三角波 圖4-4 鋸齒波如圖4-1、4-2、4-3、4-4所示，調節(jié)各功能按鈕，選擇波形，可在示波器上觀察相應的波形輸出，也可通過按鈕操作改變輸出波形的幅值及頻率，參數信息可在LCD上觀察。幅值的步進值最小為10mv，頻率的最小步進值為10Hz。初始相位調節(jié)功能驗證如圖4-5所示： 圖4-5 初始相位調節(jié)上方是初始相位為0度的正弦波，下方為初始相位180度的正弦波，相位最小步進值為1度。設計中通過多次調試，在保持每次定時時間內能完成DMA傳輸和D/A轉換條件下，定時器的最大速率能做到3MHz左右，此種情況下最大頻率在濾波器后失真不明顯能做到160KHz。大頻率輸出波形如圖4-6所示： 圖4-6 大頻率正弦波上方是D/A輸出波形，下方是經RC濾波器后的輸出波形?？梢娫诖祟l率上，失真并不明顯。本次設計基本滿足課題的各項要求。5 總結這學期的課程設計中，我的任務是資料的查閱和收集，和數據的制作，并在程序編寫的過程中提供一定的思路和方向，參加了調試工作，提高了課