电子设计大赛——基于STM32的信号发生器设计报告.pdf-资料库

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摘要信号发生器是指能产生某些特定的周期性时间函数波形信号，频率范围可调的发生器。本设计基于 STM32，单片机与 AD9854 正交正弦信号发生器相结合，实现正弦波、方波、三角波、等信号的输出，并实现了幅度可调、频率可调、实时显示等功能。设计实现了 100Khz 的正弦波、三角波、方波输出，波形稳定无明显失真。这类信号发生器具有频率分辨率高、可集成度高、输出波形灵活等优点。关键字：STM32;DDS 信号发生器；AD9854；LM2596 3

Abstract Signal generator is a generator which can generate some specific periodic time function waveform signals and the frequency range is adjustable. This design is based on STM32, the single chip microcomputer and AD9854 orthogonal sinusoidal signal generator are combined to realize the output of the positive wave, square wave, triangle wave and so on. The functions of amplitude adjustable, frequency adjustable and real- time display are realized. The sinusoidal wave, triangle wave and square wave output of 100Khz are designed and realized. The waveform is stable and has no obvious distortion. This kind of signal generator has the advantages of high frequency resolution, high integration and flexible output waveform. Keyword: STM32;DDS signal Generator;AD9854;LM259 4

一、设计任务设计并制作一台信号发生器，使之能产生正弦波、方波和三角波信号，其系统框图如图 1 所示。图 1.1 信号发生器系统框图函数信号发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数信号发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波、然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波获将方波变成正弦波等等。由比较器和差分器组成方波--三角波产生电路，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定、输入阻抗高，抗干扰能力强等优点，特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可以将频率很低的三角波转换为正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。二、设计要求 2.1 基本要求（1）信号发生器能产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形；（2）输出信号频率在 100Hz～100kHz 范围内可调, 输出信号频率稳定；（3）在 1k负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值 Vopp 在 0～5V 范围内可调；（4）输出信号波形无明显失真； 2.2 发挥部分（1）将输出信号频率范围扩展（此部分按扩展范围的大小加分），输出信号频率 1

可分段调节：在 10Hz～1kHz 范围内步进。输出信号频率值可通过键盘进行设置；（2）在 50负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值 Vopp 在 0～5V 范围内步进间隔可调，输出信号的电压值可通过键盘进行设置；（3）可实时显示输出信号的类型、幅度、频率和频率步进值；（4）其他。三、系统设计 3.1 系统方案选择 3.1.1 方案一采用分立元件或单片压控函数发生器，通过调整外围元件的参数输出不同的频率，但采用模拟器件由于元件分散性太大，产生的频率稳定度较差、精度低、抗干扰能力不强、成本较高、而且灵活性差。 3.1.2 方案二由单片机构成的信号产生电路：利用单片机 STM32F103，通过程序控制，可以很方便地产生各种的波形信号，但是频率有限，最高只能达到 14Khz。 3.1.3 方案三采用 DDS 直接信号发生器，核心芯片 AD9854，AD9854 数字合成器是高集成度的器件，它采用先进的 DDS 技术，片内整合了两路高速、高性能正交 D/A 转换器通过数字化编程可以输出 I、Q 两路合成信号。在高稳定度时钟的驱动下， AD9854 将产生一高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦和余弦信号，允许输出的信号频率高达 150MHZ，而数字调制输出频率可达 100MHZ。通过内部高速比较器正弦波转换为方波输出，可用作方便的时钟发生器。综合以上三种方案，最终选择第三种方案。 3.2 系统总体框图 2

图 3.1 信号发生器总体框图为了达到频率稳定，可调频率范围大，采用 DDS 直接信号发生器和 STM32F103 开发板作为核心部件产生三种波形，参数调整通过外设按键来控制相应变量的改变，电源由 USB 和稳压电源模块提供。 3.3 核心器件 3.2.1 AD9854 DDS 直接信号发生模块图 3.2 AD9854 芯片图 AD9854 为高精度高稳定性 AD 转换器，是高集成度的器件，它采用先进的 DDS 技术，片内整合了两路高速、高性能正交 D/A 转换器通过数字化编程可以输出 I、Q 两路合成信号。在高稳定度时钟的驱动下，AD9854 将产生一高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦和余弦信号，作为本振用于通信，雷达等方面。 AD9854 的 DDS 核具有 48 位的频率分辨率（在 300M 系统时钟下，频率分辨率 3

可达 1uHZ）。输出 17 位相位截断保证了良好的无杂散动态范围指标。AD9854 允许输出的信号频率高达 150MHZ，而数字调制输出频率可达 100MHZ。通过内部高速比较器正弦波转换为方波输出，能达到设计的基本要求。 3.2.2 STM32F103 开发板图 3.3 STM32 开发板 STM32 的核心 Cortex-M3 处理器是一个标准化的微控制器结构，希望思考一下，何为标准化？简言之，Cortex-M3 处理器拥有 32 位 CPU，并行总线结构，嵌套中断向量控制单元，调试系统以及标准的存储映射，是低功耗，高性能的微控制器。 3.2.3 可调稳压模块图 3.4 LM2596 稳压模块 4

LM2596 系列开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出 3A 的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有 3.3V、5V、 12V，还有一个可调输出。 3.2.4 运算放大器和显示模块最小稳定增益为 270，带宽为 270MHz，稳定度高，失谐率小。图 3.5 THS4001 运算放大器模块图 3.6 12864 显示模块 3.4 工作流程图图 3.6 系统工作流程图供电后，系统启动，输出显示初始设定的频率和幅值，且初始频率和幅值可以通过按键设置，液晶屏显示当前波形、频率、幅值以及按键按下后的相应变量步进值，同时程序一直扫描按键，如果有按键按下，判断是第几个按键，如果按键 1 按下，频率增加；如果按键 2 按下，频率减少；如果按键 3 按下，幅度增加；如果按键 4 按下，幅度减少。DDS 输出波形输入到运算放大器进行放大，并加上负载，最后输出到示波器显示最终波形。 3.5 理论与计算 5

AD9854 中使用的 DDS 技术是根据奈奎斯特采样定律，从连续信号的相位出发将一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表，存于 EPROM 中；合成时，通过改变相位累加器的频率控制字来改变相位增量。相位增量不同，一个正弦周期内的采样点数不同。在时钟频率即采样频率不变的情况下，通过相位的改变来实现频率的改变，计算公式为：（Fo 为需要的输出频率） FTW=(Fo*2^48)/SYSCLK （3-1）输出电流的的幅值为 Rset=39.3/Iout （3.2）输出电压最大值为 500mv。四、测试及分析 4.1 正弦波测试图 4.1 300Hz 频率正弦波图 4.2 12.6KHz 频率正弦波 4.2 三角波测试图 4.3 300Hz 频率三角波图 4.4 1KHz 频率三角波 4.3 方波测试 6

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