WORD格式可編輯./摘要信號發生器是一種能產生多個函數信號的的儀器,常見的有正弦波、方波、三角波等。在電子技術飛速發展的今天,信號發生器作為各種信號源無論在實驗室還是在設備檢測中已經具有十分廣泛的用途。傳統的信號發生器大多是基于模擬電子技術設計制作的,這種信號源制作簡單,成本低廉,但是它的缺點也很多,比如不便于存儲,頻率穩定度差,失真度高等。DDS是以全數字技術,從相位概念出發直接合成所需波形的一種新的合成原理。本設計采用DDS和單片機技術相結合,以STM32F103RBT6芯片及AD9834為核心設計了一種幅度、相位、頻率都可調節的信號發生器,它不僅能克服傳統的正弦波信號發生器的缺點,而且由模擬乘法器產生調幅電路、采用數字鍵控的方法實現二進制PSK、ASK信號,且頻帶較寬、頻率穩定度高,波形良好。該信號發生器具有更強的市場競爭力,在跳頻技術、無線電通信技術方面具有比較廣闊的發展前景。關鍵字：信號發生器,STM32F103RBT6,DDS,AD9834.ABSTRACTSignalgeneratorcangeneratemultiplefunctionsisasignaloftheinstrument,commonhaveasinewave,squarewave,trianglewave,etc.Intoday'srapiddevelopmentofelectronictechnology,signalgeneratorasavarietyofsignalsourceinthelaboratoryorintheequipmenttestinghasaverywiderangeofUSES.Most

of

the

traditional

sine

wave

signal

generator

is

designed

based

on

analog

electronic

technology,

this

is

simple

and

low

cost

production

source,

but

it

has

many

shortcomings,

such

as

it

is

not

easy

to

store,its

frequency

stability

is

poor,

high

distortionandsoon.DDSisanewsyntheticprinciplewhichbasedontheall-digitaltechnology,startingfromtheconceptofphasedirectsynthesisofwaveformsrequired.ThisdesignusesDDSandmicrocontrollertechnology,theAD9850DDSchiptothecore,designasinewavesignalgenerator,whosemagnitude,phase,frequencycanberegulated.It’snotonlycanovercomethetraditionalshortcomingsofthesinewavesignalgenerator,andtheamplitudecircuitisproducedbytheanalogmultiplier,thedigitalkeying

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

development.Keywords:signalgenerator,STM32F103RBT6,DDS,AD9834WORD格式可編輯.目錄第1章引言11.1選題背景11.2研究目標和意義21.3研究思路2第2章方案論證32.1主控制器32.2信號發生源42.3系統穩壓模塊52.4DDS穩壓模塊52.5頻率控制模塊52.6串口模塊62.7顯示模塊6第3章硬件模塊詳解83.1STM32F103RBT6簡介8綜述8結構概覽8特性9芯片引腳排列說明103.2信號發生模塊12綜述12特點和優勢12芯片引腳排列及功能133.3正弦調制信號的產生153.4三角波調制信號的產生163.5LCD顯示器17綜述17基本特征17控制器接口信號說明18第4章硬件電路設計204.1STM32主控電路及液晶顯示電路204.2AD9834信號源模塊224.3系統電源模塊及DDS電源234.4控制模塊244.5串口模塊24第5章系統軟件設計及調試265.1Keil軟件的介紹265.2系統軟件設計27軟件流程圖28系統軟件設計原理285.3信號產生的程序295.4測試儀器31技術性能345.5指標測試34正弦波指標測試34三角波指標測試34方波指標測試345.6測試結果35參考文獻38致謝39附錄40附錄一：原理圖及PCB圖40外文資料原文41譯文47WORD格式可編輯.引言選題背景信號源作為一種信號產生的裝置已經越來越受到人們的重視,它可以根據用戶的要求,產生自己需要的波形,具有重復性好,實時性強等優點,已經逐步取代了傳統的函數發生器。當今高性能的信號源均通過頻率合成技術來實現,隨著計算機、數字集成電路和微電子技術的發展,頻率合成技術有了新的突破—直接數字頻率合成技術DDS<DirectDigitalSynthesis>,他是將先進的數字信號處理理論與方法導入到信號合成領域的一項新技術,它的出現為進一步提高信號的頻率穩定度提供了新的解決方法。同時,隨著微電子技術的迅速發展,尤其是單片機技術的發展,智能儀器也有了新的進展,功能更加完善,性能也更加可靠,智能程度也不斷提高。本課題的目的就是依據DDS原理設計開發出一個能產生正弦波,且能產生幅度調制〔AM信號電路,產生模擬調制〔FM信號電路,產生二進制PSK,ASK信號電路[1]。近幾年超高速數字電路的發展以及對DDS的深入研究,DDS的最高工作頻率以及噪聲性能已接近并達到鎖相頻率合成器相當的水平。隨著這種頻率合成技術的發展,其已廣泛應用于通訊、導航、雷達、遙控遙測、電子對抗以及現代化的儀器儀表工業等領域。隨著微電子技術的飛速發展,目前高超性能優良的DDS產品不斷推出,主要有Qualcomm、AD、Sciteg和Stanford等公司單片電路〔monolithic。Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368,其中Q2368的時鐘頻率為130MHz,分辨率為0.03Hz,雜散控制為-76dB,變頻時間為0.1μs;美國AD公司也相繼推出了他們的DDS系列：AD9850、AD9851、可以實現線性調頻的AD9852、兩路正交輸出的AD9854以及以DDS為核心的QPSK調制器AD9853、數字上變頻器AD9856和AD9857。AD公司的DDS系列產品以其較高的性能價格比,目前取得了極為廣泛的應用。研究目標和意義該畢業設計的研究和制作全面說明了對低頻信號發生器系統要有一個全面的了解,對低頻信號的發生原理要理解掌握,以及低頻信號發生器工作流程：博興的設定、DAC應用、新型微處理器系統控制、低噪聲LDO電源、顯示模塊、鍵盤、低噪聲放大器等各模塊之間通信,各部分要熟練連接調試。能夠正確了解常規芯片的使用方法,掌握簡單的信號發生器應用系統軟硬件的設計方法。進一步鍛煉我們在信號處理方面的實際動手能力和工作能力。研究思路〔1掌握相關電子電路,微處理器基礎理論知識和設計方法；〔2熟悉信號產生的原理；〔3利用相應微處理器完成信號發生系統的設計,使信號頻率可調以及相關信息顯示。.方案論證根據題目要求,本系統主要由主控制器模塊、DDS模塊、系統穩壓模塊、DDS穩壓模塊、頻率控制模塊、串口模塊和顯示模塊構成。如圖2-1：主控制器模塊主控制器模塊DDS模塊系統穩壓模塊DDS穩壓模塊串口模塊顯示模塊頻率控制模塊系統原理圖主控制器方案一：采用通用的51單片機AT89S52作為主控制器,完成數據處理,DDS的頻率輸出控制,鍵盤的掃描及液晶顯示器的顯示控制等。由于51單片機內部的RAM和ROM都比較小,考慮到實現本系統需要大量的數據處理及液晶顯示需占用大量的ROM資源等,用51單片機實現本系統就需外擴RAM和ROM,實現起來比較麻煩。而且本系統需要用A/D轉換器采樣調制信號實現調頻信號的輸出,使用51單片機就需外擴一片A/D轉換芯片,實現也比較麻煩。而且基于整個系統的速度要求,51單片機也不能滿足要求。方案二：采用意法半導體公司的32位微處理器STM32F103RBT6作為主控制器。由于STM32F103RBT6內置有20K的SRAM和128K字的內存FLASH,能滿足本系統數據處理及液晶顯示所需數據的存儲要求CPU時鐘頻率高達72MHz,能滿足速度要求；集成有12位電壓模數轉換器ADC,可以滿足系統采樣調制信號的要求；一片STM32F103RBT6就可以完成整個系統的主要功能,基本不需要擴展其他器件,不僅體積小而且可靠性高。采用C語言編程,簡單方便,使開發更加容易,整個系統更加簡單。方案二：采用凌陽公司的16位單片機SPCE061A作為主控制器。由于SPCE061A內置有2K字的SRAM和32K字的內存FLASH,能滿足本系統數據處理及液晶顯示所需數據的存儲要求CPU時鐘頻率高達49.152MHz,不能能滿足速度要求；集成有7通道10位電壓模數轉換器ADC,可以滿足系統采樣調制信號的要求；一片凌陽SPCE061A單片機就可以完成整個系統的主要功能,基本不需要擴展其他器件,不僅體積小而且可靠性高。而且凌陽單片機具有C語言風格的匯編語言,有與標準C兼容的C語言,C語言函數可以與匯編函數互相調用,使其開發更加容易,但是由于處理速度不高,因此不能滿足要求綜上所述,本系統采用方案二,利用STM32F103RBT6作為主控芯片。信號發生源方案一：采用反饋型LC振蕩原理,選擇合適的電容、電感就能產生相應的正弦信號。此方案器件比較簡單,但是難以達到高精度的程控調節,而且穩定度不高,故不采用。方案二：采用DDS技術的基本原理。DDS技術是基于Nyquist采樣定理,將模擬信號進行采集,經量化后存入存儲器中〔查找表,通過CPLD或者FPGA進行尋址查表輸出波形的數據,再經D/A轉換濾波即可恢復原波形。根據Nyquist采樣定理知,要使信號能夠恢復,必須滿足采樣頻率大于被采樣信號最高頻率的2倍,否則將產生混疊,經D/A不能恢復原信號。此方案產生的波形比較穩定,在高頻輸出時會產生失真,而且電路比較復雜,故不采用。方案三：直接采用DDS集成芯片。AD9834是AD公司生產的DDS芯片,帶并行和串行加載方式,AD9834內含可編程DDS系統和高速比較器,能實現全數字編程控制的頻率合成。由于DDS集成芯片能達到要求,而且節省硬件電路,程控調節能夠方便實現,本設計采用方案三,作為1K～35MHz信號發生源。系統穩壓模塊該MIC5219是具有高的高效線性電壓調節器峰值輸出電流能力,非常低的壓差電壓,不到1％的輸出電壓精度更好。差一般為10mV,在輕載和小于500mV的滿負荷。該MIC5219的目的是提供一個峰值輸出電流為啟動條件,其中高浪涌電流要求。它具有一個500mA峰值輸出評級。連續輸出電流只由封裝和布局的限制。該MIC5219可以啟用或由CMOS或關閉TTL兼容的信號。禁用時,功耗降至近于零。差的接地電流被最小化,以有助于延長電池壽命。其他主要功能包括的反相電池保護,電流限制,過溫關斷,并用一個超低噪聲的選擇的低噪聲性能。由于STM32F103是一款低功耗芯片,并且只具有少量外設,故采用體積十分小巧的MIC5219穩壓芯片。DDS穩壓模塊采用AM1117線性穩壓芯片,AMS1117的片上微調把基準電壓調整到1%的誤差以內,而且電流限制也得到了調整,以盡量減少因穩壓器和電源電路超載而造成的壓力使DDS芯片工作電壓平穩,減少對信號源造成的雜波干擾。頻率控制模塊方案一：使用變容二極管直接調頻。變容二極管是根據PN結的結電容隨反向電壓改變而變化的原理設計的一種二極管。加反向偏壓時,變容二極管呈現一個較大的結電容。變容二極管要并接在產生中心頻率振蕩的選頻網絡的兩端,并加上調制信號,使中心頻率隨調制信號的幅值的改變而改變,從而達到調頻作用。但是本方案會使電路產生的頻偏不穩定,容易產生中心頻率偏移。方案二：采用鎖相環進行調制,采用鎖相環路調頻,能夠達到中心頻率高度穩定的調頻信號。由于鎖相環能跟蹤并鎖定中心頻率。從而使中心頻率有足夠高的穩定度。而調制信號就加在VCO〔壓控振蕩器的輸入端,從而使中心頻率隨調制信號的幅值的改變而改變。本方案比較直觀,而且中心頻率和頻偏都比較準確,但是電路復雜,故不采用。方案三：STM32F103RBT6內部集成有12位ADC。可先將調制信號離散化,當采集完一個周期〔1ms的數據后,計算出每相鄰兩個抽樣點的偏移量,這樣就可以根據偏移量控制改變DDS的輸出頻率,從而達到調頻效果,而且硬件只需要使用彈性按鍵。綜上所述,本次設計采用方案三。串口模塊方案一：使用CH340串口芯片。CH340是一個USB總線的轉接芯片,實現USB轉串口、USB轉IrDA紅外或者USB轉打印口。在串口方式下,CH340提供常用的MODEM聯絡信號,用于為計算機擴展異步串口,或者將普通的串口設備直接升級到USB總線。CH340是一款十分優秀的TTL電平轉換芯片,可以將USB直接轉換為TTL電平與主控制器UART進行通信。但是因為電路較為復雜,顧不采用。方案二：使用CP2102串口芯片。CP2102其集成度高,內置USB2.0全速功能控制器、USB收發器、晶體振蕩器、EEPROM及異步串行數據總線〔UART,支持調制解調器全功能信號,無需任何外部的USB器件。CP2102與其他USB-UART轉接電路的工作原理類似,通過驅動程序將PC的USB口虛擬成COM口以達到擴展的目的。CP2102是一款高度集成的電平轉換芯片,性能十分優秀,整體電路十分簡單、整潔。綜上所述,采用方案二CP2102作為串口模塊芯片。顯示模塊方案一：采用LCD1602顯示屏。工業字符型液晶,能夠同時顯示16x02即32個字符。1602液晶也叫1602字符型液晶,它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成,每個點陣字符位都可以顯示一個字符,每位之間有一個點距的間隔,每行之間也有間隔,起到了字符間距和行間距的作用,正因為如此所以它不能很好地顯示圖形〔用自定義CGRAM,顯示效果也不好。1602LCD是指顯示的內容為16X2,即可以顯示兩行,每行16個字符液晶模塊〔顯示字符和數字。市面上字符液晶大多數是基于HD44780液晶芯片的,控制原理是完全相同的,因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶。但不能顯示中文,因此不能直觀的表現顯示數據。方案二：采用LCD12864顯示屏。帶中文字庫的LCD12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式,內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64,內置8192個16*16點漢字,和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令,可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字,也可完成圖形顯示,低電壓低功耗是其又一顯著特點。底層驅動代碼簡單易操作。十分符合系統要求。方案三：采用LED數碼管顯示。led數碼管〔LEDSegmentDisplays由多個發光二極管封裝在一起組成"8"字型的器件,引線已在內部連接完成,只需引出它們的各個筆劃,公共電極。數碼管實際上是由七個發光管組成8字形構成的,加上小數點就是8個。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。可放在PCB電路板上按紅綠藍順序呈直線排列,以專用驅動芯片控制,構成變化無窮的色彩和圖形。外殼采用阻燃PC塑料制作,強度高,抗沖擊,抗老化,防紫外線,防塵,防潮。LED護欄管具有功耗小,無熱量,耐沖擊,長壽命等優點,配合控制器,即可實現流水,漸變,跳變,追逐等效果。但因為顯示內容不多,顧不采用。綜上所述,采用方案二采用LCD12864作為顯示模塊。.硬件模塊詳解STM32F103RBT6簡介綜述STM32F103RBT6是ST公司基于ARM最新Cortex-M3架構內核的32位處理其產品,內置128KB的FLASH、20K的RAM、12位AD、4個16位定時器和3路UART通信口等多種資源,時鐘頻率最高可達72MHz。結構概覽內部結構圖特性◆STM32F103RBT6封裝：LQFP64◆內核：ARM32位Cortex-M3CPU,72MHz,90DMIPS1.25DMIPSMH,單周期乘法和硬件除法,通用增強型,內嵌中斷控制器有43個可屏蔽中斷通道,采用尾鏈<tailchaining>技術的中斷處理〔降至6個CPU周期。◆STM32F103RBT6內置128KB的Flash,最多內嵌20KB的SRAM,以CPU時鐘速度訪問〔讀/寫,0等待狀態◆時鐘,復位<RESET>,電源管理：-2.0~3.6伏供電和I/O-POR,PDR,可編程電壓監測器〔PVD–-4~16MHz石英振蕩器-內置8MHz廠家校準RC-內置32kHzRC-為RTC專用的32kHz振蕩器及校準◆STM32F103RBT6具有低功耗：-睡眠,終止,待機三種模式-VBAT為RTC和備份寄存器供電◆2x12-bit,1μs數模轉換器<16通道>-轉換范圍2.0至3.6伏-雙采樣保持功能-與先進的控制定時器同步-溫度傳感器◆DMA:-7通道DMA控制器-支持的外設,定時器,數模轉換器,SPI接口,i2c接口,USART接口◆DEBUG模式-串行線debug〔SWD和JTAG接口◆STM32F103RBT6有80個快速I/O端口-32/49/805V-tolerantI/Os-不可中斷的讀/修改/寫操作-16個外部中斷向量全可映射◆7個定時器-三個16位定時器,每個有4個IC/OC/PWM或脈沖計數器-6通道16位先進控制定時器：多達6個PWM輸出死區時間生成和急停-2個16位監視定時器<IndependentandWindow>-SysTick定時器：24位遞減計數器◆STM32F103RBT6多達9個通信接口-多達2個IC接口〔支持SMBus/PMBus-多達3個USART〔ISO7816接口,LIN,紅外線功能,調制解調器控制-2個SPI接口〔18Mbit/s芯片引腳排列說明STM32F103RBT6有64個引腳,采用LQFP64封裝形式；排列如下圖3-2、圖3-3：芯片原理圖芯片封裝圖信號發生模塊信號發生模塊主要部分是AD9834。綜述AD9834是一款75MHz、低功耗DDS器件,能夠產生高性能正弦波和三角波輸出。其片內還集成一個比較器,支持產生方波以用于時鐘發生。當供電電壓為3V時,其功耗僅為20mW,非常適合對功耗敏感的應用。AD9834提供相位調制和頻率調制功能。頻率寄存器為28位；時鐘速率為75MHz,可以實現0.28Hz的分辨率。同樣,時鐘速率為1MHz時,AD9834可以實現0.004Hz的分辨率。影響頻率和相位調制的方法是通過串行接口加載寄存器,然后通過軟件或FSELECT/PSELECT引腳切換寄存器。AD9834通過一個三線式串行接口寫入數據。該串行接口能夠以最高40MHz的時鐘速率工作,并且與DSP和微控制器標準兼容。該器件采用2.3V至5.5V電源供電。模擬和數字部分彼此獨立,可以采用不同的電源供電；例如,AVDD可以是5V,而DVDD可以是3V。AD9834具有掉電引腳<SLEEP>,支持從外部控制掉電模式。器件中不用的部分可以掉電,以將功耗降至最低。例如,在產生時鐘輸出時,可以關斷DAC。特點和優勢窄帶SFDR>72dB電源電壓范圍：2.3V至5.5V電源供電輸出頻率最高達37.5MHz正弦波輸出/三角波輸出片上集成比較器式SPI接口擴展溫度范圍：?40°C至+105°C掉電選項功耗：20mW〔3V時20引腳TSSOP芯片引腳排列及功能FSADJUST〔1腳：全面調控。在此腳與AGND有個電阻RSET。這決定整個DA轉換的電流的幅度。電流和RSET的關系IOUTFULLSCALE=18*FSADJUST/RSET。FSADJUST=1.15V<額定>,REST=6.8Ω<典型值>。REFOUT〔2腳：輸出參考電壓。芯片內已有一個1.2V的電壓參考值。COMP〔3腳：DA轉換偏壓。用來耦合偏置電壓。AVDD〔4腳：模擬部分正極電源。范圍2.3V~5.5V,在AVDD和AGND之間應加一個0.1uF的去耦電容。DVDD〔5腳：數字部分正極電源。CAP/2.5V〔6腳：數字電路運行在2.5V下。此電源產生于DVDD,用的是板上調節器。這個調節器需要一個100nF的去耦電容,接在此腳和DGND間,如果DVDD<=2.7V,那么此引腳應與DVDD短接。DGND〔7腳：數字的接地。MCLK〔8腳：數字時鐘輸入端。DDS輸出地頻率表述為主時鐘頻率的二進制小數形式。此輸出地頻率精確度和相位噪聲由這個時鐘決定。FSELECT〔9腳：頻率選擇輸入端。FSELECT控制頻率寄存器,FREQ0、FREQ1,這用在相位累加器。要用的頻率寄存器可以由FSELECT或FSEL位來選擇。當FSEL位選擇頻率寄存器時,則FSELECT接于COMS的高或低。PSELECT〔10腳：相位選擇輸入端,PSELECT控制相位寄存器,PHASE0/PHASE1,增加到相位累加器的輸出,要用相位寄存器時可由FSELECT腳或PSEL位來選擇,當由FSEL位控制時,FSELECT腳應接在CMOS的高或低。RESET〔11腳：激活高數字輸入端。此引腳復位相應的內部寄存器置0,這相當于部分模擬輸出。RESET不會影響地址存儲器。SLEEP〔12腳：激活高位數字輸入端,當此引腳置高,DA轉換關閉。此引腳一樣有控制SLEEP12位的功能。SDATA〔13腳：數據串口輸入端。16位數據由此輸入。SCLK〔14腳：串行時鐘輸入。SCLK的每個下降沿就將一位輸入AD9834。FSYNC〔15腳：激活地位控制輸入端。此為輸入數據的幀同步信號。當FSYNC拉低,內部邏輯電路就會告知芯片一位新的字節進入了。SIGNBITOUT〔16腳：邏輯輸出。此引腳可以輸出比較器的輸出,也可輸出來自NCO的MSB,在寄存器置位POPBITEN可以使能此腳,DIGN/PIB為決定是比較器輸出還是來自NCO的MSB輸出。VIN〔17腳：比較器輸入端。比較器能夠由正弦波DA轉換的輸出產生方波。在接入比較器之前DA的輸出應適當濾波以減小抖動。當置位OPBITEN和SIGN/PIB寄存器以置1,比較器輸入接VINAGND〔18腳：模擬的接地。IOUT〔19腳,IOUTB〔20腳：電流輸出。這是一個高阻抗電流源。像200Ω電阻接于IOUT和AGND之間。IOUTB應該在AGND之間接200的外部電阻,也可直接接AGND,建議在AGND間接一個20pF電容防止時鐘饋通AD9834采用TSSOP-20封裝,引腳分布如下圖3-4：芯片引腳分布圖正弦調制信號的產生1K正弦調制信號的產生采用DDS技術。DDS技術采用全數字技術實現頻率合成,和其它一般的頻率合成技術相比,有一些突出的優點和獨特的性能：DDS在相對帶寬、頻率轉換時間、頻率分辨率、相位連續性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標方面遠遠超過了傳統頻率合成技術所能達到的水平。DDS的實現原理如下圖3-5：DDS實現原理DDS技術的實現依賴于高速、高性能的數字器件。可編程邏輯器件以其速度高、規模大、可編程,以及有強大EDA軟件支持等特性,十分適合實現頻率的合成。由于本系統要求產生1KHz的正弦調制信號,失真度要求要小,而且穩定性要好,DDS的失真度除受D/A轉換器本身的噪聲影響外,還與存儲深度M和D/A字長有密切關系,設q為均勻量化間隔,其失真度近似數學關系為：=*100%〔3-1本系統的量化級為256〔8位DAC,經計算其失真度約為5.676%,可以滿足設計要求。DDS設計電路產生的波形存在高次諧波,須進行低通濾波使波形平滑,為使通帶內的起伏最小,我們采用了巴特沃斯二階低通濾波器,如圖3-6。巴特沃思二階低通濾波器的截止頻率為fc=1/2πRC。由于只需產生1KHz的正弦信號,本系統設計的濾波器的截至頻率為2KHz,選取C=1uf,經計算取R=80Ω。二階巴特沃思濾波器三角波調制信號的產生它首先對需要產生的信號波形進行采樣和量化,然后存入存儲器作為待產生信號波形的數據表。輸出信號波形時,電路在一個高穩定時鐘控制下從數據表中依次讀出信號波形的數據,產生過數字化的信號,這個信號再通過DAC轉換成所需的模擬信號波形。它的核心是相位累加器,由N位加法器與N位相位寄存器構成,類似一個簡單的計數器。加法器將頻率控制字與累加寄存器輸出的累加相位數據相加,把相加后的結果送至累加寄存器的數據輸入端。這樣,相位累加器在時鐘作用下,不斷對頻率控制字進行線性相位累加。由此可以看出,相位累加器輸出的數據就是合成信號的相位,相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。將相位寄存器的輸出與相位控制字相加得到的數據作為一個地址對正弦查詢表進行尋址,查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號,通過D/A變換器把數字量變成模擬量,再經過低通濾波器平滑并濾除不需要的取樣分量,以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。在參考頻率為s的情況下,DDS系統輸出信號的頻率f0為：〔3-2輸出信號的頻率分辨率Δf0為:〔3-3LCD顯示器本設計中采用了LCD12864液晶顯示器,該顯示器是128×64點陣式液晶,其結構框圖見下圖3-7。液晶結構圖綜述帶中文字庫的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式,內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64,內置8192個16*16點漢字,和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令,可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字,也可完成圖形顯示,低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比,不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多,且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。基本特征〔1低電源電壓〔VDD:+3.0--+5.5V〔2顯示分辨率:128×64點〔3內置漢字字庫,提供8192個16×16點陣漢字<簡繁體可選>〔4內置128個16×8點陣字符〔52MHZ時鐘頻率〔6顯示方式：STN、半透、正顯〔7驅動方式：1/32DUTY,1/5BIAS〔8視角方向：6點〔9背光方式：側部高亮白色LED,功耗僅為普通LED的1/5—1/10〔10通訊方式：串行、并選可選〔11內置DC-DC轉換電路,無需外加負壓〔12無需片選信號,簡化軟件設計〔13工作溫度:0℃-+55℃,存儲溫度:-20℃-+60℃控制器接口信號說明RS,R/W的配合選擇決定控制界面的4種模式：功能管腳表RSR/W功能說明LLMPU寫指令到指令暫存器〔IRLH讀出忙標志〔BF及地址計數器〔AC的狀態HLMPU寫入數據到數據暫存器〔DRHHMPU從數據暫存器〔DR中讀出數據E信號E狀態執行動作結果高低I/O緩沖DR配合/W進行寫數據或指令高DRI/O緩沖配合R進行讀數據或指令低/低高無動作● 忙標志:BFBF標志提供內部工作情況.BF=1表示模塊在進行內部操作,此時模塊不接受外部指令和數據.BF=0時,模塊為準備狀態,隨時可接受外部指令和數據.利用STATUSRD指令,可以將BF讀到DB7總線,從而檢驗模塊之工作狀態。● 字型產生ROM〔CGROM字型產生ROM〔CGROM提供8192個此觸發器是用于模塊屏幕顯示開和關的控制。DFF=1為開顯示〔DISPLAYON>,DDRAM的內容就顯示在屏幕上,DFF=0為關顯示〔DISPLAYOFF>。DFF的狀態是指令DISPLAYON/OFF和RST信號控制的。●顯示數據RAM〔DDRAM模塊內部顯示數據RAM提供64×2個位元組的空間,最多可控制4行16字〔64個字的中文字型顯示,當寫入顯示數據RAM時,可分別顯示CGROM與CGRAM的字型；此模塊可顯示三種字型,分別是半角英數字型<16*8>、CGRAM字型及CGROM的中文字型,三種字型的選擇,由在DDRAM中寫入的編碼選擇,在0000H—0006H的編碼中〔其代碼分別是0000、0002、0004、0006共4個將選擇CGRAM的自定義字型,02H—7FH的編碼中將選擇半角英數字的字型,至于A1以上的編碼將自動的結合下一個位元組,組成兩個位元組的編碼形成中文字型的編碼BIG5〔A140—D75F,GB〔A1A0-F7FFH。● 字型產生RAM<CGRAM>字型產生RAM提供圖象定義<造字>功能,可以提供四組16×16點的自定義圖象空間,使用者可以將內部字型沒有提供的圖象字型自行定義到CGRAM中,便可和CGROM中的定義一樣地通過DDRAM顯示在屏幕中。● 地址計數器AC地址計數器是用來貯存DDRAM/CGRAM之一的地址,它可由設定指令暫存器來改變,之后只要讀取或是寫入DDRAM/CGRAM的值時,地址計數器的值就會自動加一,當RS為"0"時而R/W為"1"時,地址計數器的值會被讀取到DB6——DB0中。● 光標/閃爍控制電路此模塊提供硬體光標及閃爍控制電路,由地址計數器的值來指定DDRAM中的光標或閃爍位置。.硬件電路設計硬件電路使用AltiumDesigner15設計完成。主要包括STM32主控電路,AD9834電路,穩壓電路,按鍵電路,串口電路,顯示電路。電路設計自動化EDA〔ElectronicDesignAutomation指的就是將電路設計中各種工作交由計算機來協助完成。如電路原理圖〔Schematic的繪制、印刷電路板〔PCB文件的制作、執行電路仿真〔Simulation等設計工作。隨著電子科技的蓬勃發展,新型元器件層出不窮,電子線路變得越來越復雜,電路的設計工作已經無法單純依靠手工來完成,電子線路計算機輔助設計已經成為必然趨勢,越來越多的設計人員使用快捷、高效的CAD設計軟件來進行輔助電路原理圖、印制電路板圖的設計,打印各種報表。AltiumDesigner除了全面繼承包括Protel99SE、ProtelDXP在內的先前一系列版本的功能和優點外,還增加了許多改進和很多高端功能。該平臺拓寬了板級設計的傳統界面,全面集成了FPGA設計功能和SOPC設計實現功能,從而允許工程設計人員能將系統設計中的FPGA與PCB設計及嵌入式設計集成在一起。由于AltiumDesigner在繼承先前Protel軟件功能的基礎上,綜合了FPGA設計和嵌入式系統軟件設計功能,AltiumDesigner對計算機的系統需求比先前的版本要高一些。AltiumDesigner是原Protel軟件開發商Altium公司推出的一體化的電子產品開發系統,主要運行在Windows操作系統。這套軟件通過把原理圖設計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術的完美融合,為設計者提供了全新的設計解決方案,使設計者可以輕松進行設計,熟練使用這一軟件必將使電路設計的質量和效率大大提高。目前最高版本為：AltiumDesigner15.0.7Build36915STM32主控電路及液晶顯示電路用STM32的PB口作為數據線。PD2作為液晶背光控制端口。具體電路如下圖4-1：主控復位電路及晶振電路,如圖4-2：復位及晶振LCD12864電路如圖4-3：液晶AD9834信號源模塊信號輸出端共有三路,分別輸出正弦波、三角波、方波。輸出端接口采用SMA接頭,配合N頭轉接屏蔽線最終連接示波器如圖4-4：AD9834信號源系統電源模塊及DDS電源系統采用MIC5219作為穩壓芯片如圖4-5：系統穩壓源DDS采用AM1117線性穩壓芯片如圖4-6：DDS穩壓電源控制模塊采用5個獨立的按鍵作為選擇控制模塊,調節信號的頻率及功能,如圖4-7：按鍵串口模塊采用CP2102作為TTL電平轉換芯片,用于串口調試,如圖4-8：CP2102電路系統供電采用USB供電方式,如圖4-9：USB接口及開關.系統軟件設計及調試Keil軟件的介紹KeilMDK,也稱MDK-ARM,RealviewMDK、I-MDK、uVision4

等。目前KeilMDK由三家國內代理商提供技術支持和相關服務。MDK-ARM軟件為基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9處理器設備提供了一個完整的開發環境。MDK-ARM專為微控制器應用而設計,不僅易學易用,而且功能強大,能夠滿足大多數苛刻的嵌入式應用。MDK-ARM有四個可用版本,分別是MDK-Lite、MDK-Basic、MDK-Standard、MDK-Professional。所有版本均提供一個完善的C/C++開發環境,其中MDK-Professional還包含大量的中間庫。完美支持Cortex-M、Cortex-R4、ARM7和ARM9系列器件。行業領先的ARMC/C++編譯工具鏈確定的KeilRTX,小封裝實時操作系統〔帶源碼μVision4IDE集成開發環境,調試器和仿真環境TCP/IP網絡套件提供多種的協議和各種應用提供帶標準驅動類的USB設備和USB主機棧為帶圖形用戶接口的嵌入式系統提供了完善的GUI庫支持ULINKpro可實時分析運行中的應用程序,且能記錄Cortex-M指令的每一次執行關于程序運行的完整代碼覆蓋率信息執行分析工具和性能分析器可使程序得到最優化大量的項目例程幫助你快速熟悉MDK-ARM強大的內置特征符合CMSIS<Cortex微控制器軟件接口標準>KeilMDK是美國KeilSoftware公司出品的ARM系列嵌入式芯片C語言軟件開發系統,與匯編相比,C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢,因而易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案,通過一個集成開發環境〔uVision將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WINXP、WIN7、WIN8、WIN10等操作系統。如果使用C語言編程,那么Keil幾乎就是不二之選了,即使不使用C語言而僅用匯編語言編程,其方便易用的集成環境、強大的軟件仿真調試工具也會令你事半功倍。KeilMDK軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具,全Windows界面。另外重要的一點,只要看一下編譯后生成的代碼,就能體會到KeilMDK生成的目標代碼效率非常之高,多數語句生成的代碼很緊湊,容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。系統軟件設計系統軟件部分主要包括了具有友好界面的操作菜單,各種信號的設置和控制。正弦波產生過程為：頻率設置,數據處理,然后控制DDS芯片完成各種頻率的正弦波產生；調頻信號產生過程：通過A/D轉換器采集調制信號,然后根據調制信號的幅度計算出頻偏,把頻偏數據下載到DDS即可實現調頻信號的產生。軟件流程圖系統軟件流程圖系統軟件設計原理軟件任務分析和硬件電路設計結合進行,哪些功能由硬件完成,哪些任務由軟件完成,在硬件電路設計基本定型后,也就基本上決定下來了。軟件任務分析環節是為軟件設計做一個總體的規劃。從軟件的功能來看可分為兩大類：一類是執行軟件,它能完成各種實質性的功能,如測量、顯示、計算、打印、通信和輸出控制等,另一類是監控軟件,它是專門用來協調各執行模塊與操作者之間的關系的,在系統軟件中充當組織調度角色。這兩類軟件的設計方法各有特色,執行軟件的設計偏重算法效率,與硬件關系密切,千變萬化。軟件任務分析時,應先將各執行模塊一一列出,并為每一個執行模塊進行功能定義和接口定義〔輸入輸出定義。在各執行模塊進行定義時,將要牽扯到的數據結構和數據類型問題也一并規劃好。各執行模塊規劃好后,就可以監控程序了。首先根據系統功能和鍵盤設置選擇一種最適合的監控程序結構。相對來講,執行模塊任務明確單純,比較容易編程,而監控程序較易出問題。這如同當一名操作工人比較容易,而當一個廠長就比較難了。軟件任務分析的另一個內容是如何安排各個執行模塊和監控軟件。整個系統軟件可分為前臺程序和后臺程序〔背景程序。前臺程序安排一些實時性要求較高的內容,如定時系統和外部中斷〔如掉電中斷；而后臺程序指主程序及其調用的子程序,這類程序對實時性要求不是太高,延誤幾十ms甚至幾百ms也沒關系,所以通常將監控程序〔鍵盤解釋程序,打印程序和顯示程序等,與操作者打交道的程序放在后臺程序中執行。不過也可以將全部程序均安排在前臺,后臺程序為"使系統進入睡眠狀態",以利于系統節電和抗干擾。信號產生的程序AD9834通過不同的時序控制產生信號,三角波和正弦波采用同一輸出端,方波采用單獨的輸出端,產生波形的程序如下：voidAD9834_Select_Wave<unsignedintinitdata>{AD9834_FSYNC_SET;AD9834_SCLK_SET;AD9834_RESET_SET;AD9834_RESET_SET;AD9834_RESET_CLR;AD9834_Write_16Bits<initdata>;}功能：軟件控制IOUT正弦波,SIGNBITOUT方波,寫FREQREG0,寫PHASE0ad99834_write_16bit<0x2002>一次性寫FREQREG0ad99834_write_16bit<0x0038>單獨改寫寫FREQREG0的LSBad99834_write_16bit<0x1038>單獨改寫寫FREQREG0的MSBIOUT三角波,寫PHASE0ad99834_write_16bit<0x2002>一次性寫FREQREG0ad99834_write_16bit<0x0002>單獨改寫寫FREQREG0的LSBad99834_write_16bit<0x1008>單獨改寫寫FREQREG0的MSB參數：initdata–要輸入的命令AD9834通過更改freq更改頻率,其代碼如下：voidAD9834_Set_Freq<unsignedcharfreq_number,unsignedlongfreq>{UnsignedlongFREQREG=<unsignedlong><268435456.0/AD9834_SYSTEM_COLCK*freq>;unsignedintFREQREG_LSB_14BIT=<unsignedint>FREQREG;unsignedintFREQREG_MSB_14BIT=<unsignedint><FREQREG>>14>;if<freq_number==FREQ_0>{FREQREG_LSB_14BIT&=~<1U<<15>;FREQREG_LSB_14BIT|=1<<14;FREQREG_MSB_14BIT&=~<1U<<15>;FREQREG_MSB_14BIT|=1<<14;}else{FREQREG_LSB_14BIT&=~<1<<14>;FREQREG_LSB_14BIT|=1U<<15;FREQREG_MSB_14BIT&=~<1<<14>;FREQREG_MSB_14BIT|=1U<<15;}AD9834_Write_16Bits<FREQREG_LSB_14BIT>;AD9834_Write_16Bits<FREQREG_MSB_14BIT>;}測試儀器采用RIGOLDS1052E型50M雙通道數字示波器。DS1052E型示波器以優異的技術指標及眾多功能特性的完美結合,向用戶提供了簡單而功能明晰的前面板,以進行所有的基本操作。各通道的標度和位置旋鈕提供了直觀的操作,完全符合傳統儀器的使用習慣,用戶不必花大量的時間去學習和熟悉示波器的操作,即可熟練使用。為加速調整,便于測量,用戶可直接按AUTO鍵,立即獲得適合的波形顯現和檔位設置。除易于使用之外,示波器還具有更快完成測量任務所需要的高性能指標和強大功能。通過1GSa/s的實時采樣和25GSa/s的等效采樣,可在示波器上觀察更快的信號。強大的觸發和分析能力使其易于捕獲和分析波形。清晰的液晶顯示和數學運算功能,便于用戶更快更清晰地觀察和分析信號問題。DS1052E示波器向用戶提供簡單而功能明晰的前面板,以進行基本的操作。面板上包括旋鈕和功能按鍵。顯示屏右側的一列5個灰色按鍵為菜單操作鍵〔自上而下定義為1號至5號。通過它們,可以設置當前菜單的不同選項；其它按鍵為功能鍵,通過它們,可以進入不同的功能菜單或直接獲得特定的功能應用。如圖5-2：前面板控制及功能值得注意的是,MENU功能鍵的標識用一方框包圍的文字表示,如,代表前面板上的標注Measuee文字的透明功能鍵。標識為的多功能旋鈕,用表示。兩個標識為POSITION的旋鈕,用表示。兩個標識為SCALE的旋鈕,用表示。標識為LEVEL的旋鈕,用表示。菜單操作鍵的標識用帶陰影的文字表示,如波形存儲,表示存儲菜單中的存儲波形選項。顯示界面說明〔僅模擬通道打開顯示界面說明〔模擬和數字通道同時打開技術性能雙模擬通道,每通道帶寬：50MHz。高清晰彩色液晶顯示系統：320×234分辨率。支持即插即用閃存式USB存儲設備以及USB接口打印機,并可通過USB存儲設備進行軟件升級。模擬通道的波形亮度可調。自動波形、狀態設置〔AUTO。波形、設置、CSV和位圖文件存儲以及波形和設置再現。精細的延遲掃描功能,輕易兼顧波形細節與概貌。自動測量20種波形參數。自動光標跟蹤測量功能。獨特的波形錄制和回放功能。內嵌FFT。實用的數字濾波器,包含LPF,HPF,BPF,BRF。Pass/Fail檢測功能,光電隔離的Pass/Fail輸出端口。多重波形數學運算功能。獨一無二的可變觸發靈敏度,適應不同場合下特殊測量要求。多國語言菜單顯示。彈出式菜單顯示,用戶操作更方便、直觀。中英文幫助信息顯示及支持中英文輸入。指標測試正弦波指標測試把正弦波輸出端接入數字頻率計,以1K,10K,100K,1M,5M,10M作為測試點,得到頻率及峰峰值數據。三角波指標測試把三角波輸出端接入數字頻率計,以1K,10K,100K,1M,5M,10M作為測試點,得到頻率及峰峰值數據。方波指標測試把方波輸出端接入數字頻率計,以1K,10K,100K,1M,5M,10M作為測試點,得到頻率及峰峰值數據。測試結果頻率為10Hz時的方波波形如下圖5-5：10Hz方波頻率為10Hz時的三角波形如下圖5-6：10Hz三角波頻率為10Hz時的正弦波形如下圖5-7：10Hz正弦波頻率為1KHz時的方波形如下圖5-8：1KHz方波頻率為1KHz時的三角波形如下圖5-9：1KHz三角波頻率為1KHz時的正弦波形如下圖5-10：1KHz正弦波.參考文獻[1]張有正,陳尚勤.頻率合成技術[M].人民郵電出版社.1984.[2]黃愛蓉.高性能DDS信號產生器的設計研究[J].傳感器與儀器儀表,2005,21<8>:153-156.[3]陳小忠.單片機接口技術實用子程序[M].北京:人民郵電出版社,2005.[4]CoulessesL.Direet.Digitalsynthesis:atoolforPeriodiewavegeneration[J].IEEESignalProcessing,2004,9<21>:110一112[5]求是科技.單片機典型外圍器件及應用實例[M].北京:人民郵電出版社,2006.[6]高衛東.AD9850DDS芯片信號源的研制[J].實驗室研究與探索,2000<5>:43-48.[7]石雄.DDS芯片AD9850的工作原理及其與單片機的接口[J].國外電子元器件,2001<5>:33-35.[8]肖漢波.一種基于DDS芯片AD9850的信號源[J].電訊技術,2003<2>:26-29.[9]張慶玲,王凡.基于直接數字頻率合成芯片的正弦信號發生器[J].電子測量技術,2008<9>.[10]HenyrT.Niehol,Ⅲ,andHenrySamueli,Proc.4lstAnnualFrequencycontrol[M].SymP.,1987.495一502.[11]ArthueTorosyan.Direetdigitalfrequencysynthesizers:ComPleteanalysisanddesignguidelines[M].LosAng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Sprocess.Itspowersupplyisonly155mwat3.3V.Theextendedindustrialtemperaturerangeisfrom-40to+80centigradedegreewith28-pinShrinkSmallOutlinesurfacemountform.AD9850DDSsystemincludesprogrammableandhigh-speedcomparators,all-digitalprogrammingtoachievethecontroloffrequencysynthesis.AD9850canproduceafrequencyandphaseisprogrammablecontroloftheanalogsinewaveoutputwhenconnectedtotheprecisionclockandthefrequencyofwrite.Thesinewavefrequencysignalcanbedirectlyusedasthesourceortheinternalconversionofhigh-speedcomparatorforthesquarewaveoutput.Inthe125MHzclock,the32-bitfrequencycontrolwordcanAD9850outputfrequencyresolutionof0.0291Hz[4].Inthiscircuitdesign,thecontrolsignalinputfromtheD0-D7intotheregister.InrisingedgeofW_CLK<P3.0>thefirstbyteisloadedandthepointermovestothenextinputregister.Acontinuous5risingedge,itstopsworking.ThenwhentherisingedgeFQ_UD<P3.1>,thedataisloadedintothefrequency/phaseregister.AtthistimetheDDSoutputfrequencyandphaseupdates.Thenthepointerresetandthecircuitwaitsforthenextfrequency/phasecontrolwordinput.DisplayModule.Consideringtheactualsituation,weadoptdotmatrixLEDtorealizethedisplay.LCD1602candisplaytheoutputwaveformfrequency,amplitude,andthespecifictype.LCD1602andthePAportof8255chipareconnected.ThreeterminalsRS,RW,EconnectedtheP2.7-P2.5ofmicrocontrollerrespectively.Th