基于STM32的簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器

1、 紹 興 文 理 學(xué) 院數(shù) 理 信 息 學(xué) 院 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 書 題目 基于STM32的簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器 電子信息工程 專業(yè) 1班 姓 名 xxx 指導(dǎo)教師 xxx 時(shí) 間 2014年 7月12日 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 班 級(jí)電信111姓 名xx題 目基于STM32的簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)要求、檢測(cè)數(shù)據(jù)等要求采用DDS方法：（1）該信號(hào)發(fā)生器應(yīng)能產(chǎn)生三角波、正弦波、方波、鋸齒波（2）該信號(hào)發(fā)生器為單極性輸出，0V3.3V（3）該信號(hào)發(fā)生器發(fā)生信號(hào)的基本頻率1KHZ，頻率可調(diào)（1KHZ5KHZ，步進(jìn)10HZ）（4）該信號(hào)發(fā)生器信號(hào)初始相位可調(diào)（0-360度，步進(jìn)1度）（5）功能選擇由按鍵

2、完成設(shè)計(jì)進(jìn)度安排或工作計(jì)劃2014.7.3 2014.7.5： 教師布置課題，學(xué)生查詢相關(guān)資料，完成方案選擇、確定驗(yàn)證方案。2014.7.62014.7.7： 設(shè)計(jì)模塊劃分、實(shí)現(xiàn)及各模塊仿真圖設(shè)計(jì)。2014.7.82014.7.10：設(shè)計(jì)整體實(shí)現(xiàn)、調(diào)試及驗(yàn)證，并開始撰寫報(bào)告。2014.7.112014.7.12：課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫并定稿，上交。其 它認(rèn)真閱讀智能儀器儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫規(guī)范；課題小組經(jīng)協(xié)商好要指定組長(zhǎng)并明確分工，形成良好團(tuán)隊(duì)工作氛圍；基于課題基本要求，各小組與指導(dǎo)老師討論，再將課題細(xì)化、增加要求；課題小組每成員均需各自撰寫一份課程設(shè)計(jì)報(bào)告。II 基于STM32的簡(jiǎn)易波形發(fā)生器 摘

3、 要 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生多種波形，如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等的電路。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途。通過(guò)對(duì)函數(shù)波形發(fā)生器的原理以及構(gòu)成分析，可設(shè)計(jì)一個(gè)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(shè)計(jì)方法，可將采樣點(diǎn)經(jīng)D/A3轉(zhuǎn)換后輸出任意波形，可通過(guò)調(diào)節(jié)D/A轉(zhuǎn)換的頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出波形的頻率，也可通過(guò)改變?nèi)↑c(diǎn)的起始位置來(lái)調(diào)節(jié)波形的初始相位。 關(guān)鍵詞 信號(hào)發(fā)生器 STM32 DDS 目 錄課程設(shè)計(jì)任務(wù)書I摘要.II1設(shè)計(jì)概述12設(shè)計(jì)方案23設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)33.1設(shè)計(jì)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(hào)輸出模塊63.5LCD顯示模塊84設(shè)計(jì)驗(yàn)證85總結(jié)11 1 設(shè)計(jì)概述信號(hào)發(fā)生器作為一種歷史悠久的測(cè)量?jī)x器，早在20年代電子設(shè)備剛出現(xiàn)時(shí)就產(chǎn)生了。隨著通信和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，40年代出現(xiàn)了主要用于測(cè)試各種接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，使得信號(hào)發(fā)生器從定性分析的測(cè)試儀器發(fā)展成定量分析的測(cè)量?jī)x器。同時(shí)還出現(xiàn)了可用來(lái)測(cè)量脈沖電路或作脈沖調(diào)制器的脈沖信號(hào)發(fā)生器。自60年代以來(lái)信號(hào)發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器。這個(gè)時(shí)期的信號(hào)發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，由分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且僅能產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波和三角波等幾種簡(jiǎn)單波形。自從70年代微處理器出現(xiàn)以后，利用微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器

5、和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，硬件和軟件使信號(hào)發(fā)生器的功能擴(kuò)大，產(chǎn)生比較復(fù)雜的波形。這時(shí)期的信號(hào)發(fā)生器多以軟件為主，實(shí)質(zhì)是采用微處理器對(duì)D/A的程序控制，就可以得到各種簡(jiǎn)單的波形。在80年代以后，數(shù)字技術(shù)日益成熟，信號(hào)發(fā)生器絕大部分不再使用機(jī)械驅(qū)動(dòng)而采用數(shù)字電路，從一個(gè)頻率基準(zhǔn)有數(shù)字合成電路產(chǎn)生可變頻率信號(hào)。90年代末出現(xiàn)了集中真正高性能的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，HP公司推出了型號(hào)為HP770S的信號(hào)模擬裝置系統(tǒng)，它是由HP8770A任意波形數(shù)字化和HP1770A波形發(fā)生軟件組成。信號(hào)發(fā)生器技術(shù)發(fā)展至今，引導(dǎo)技術(shù)潮流的仍是國(guó)外的幾大儀器公司，如日本橫河、Agilent、Tektronix等。美國(guó)的FLUKE公司的FL

6、UKE-25型函數(shù)發(fā)生器是現(xiàn)有的測(cè)試儀器中最具多樣性功能的幾種儀器之一，它和頻率計(jì)數(shù)器組合在一起，在任何條件下都可以給出很高的波形質(zhì)量，能給出低失真的正弦波和三角波，還能給出過(guò)沖很小的快沿方波，其最高頻率可達(dá)到5MHz，最大輸出幅度可達(dá)到10Vpp。國(guó)內(nèi)也有不少公司已經(jīng)有了類似的儀器。如南京盛普儀器科技有限公司的SPF120DDS信號(hào)發(fā)生器，華高儀器生產(chǎn)的HG1600H型數(shù)字合成函數(shù)任意波形信號(hào)發(fā)生器。國(guó)內(nèi)信號(hào)發(fā)生器起步晚，但發(fā)展至今，已經(jīng)漸漸跟上國(guó)際的腳步，能夠利用高新技術(shù)開發(fā)出達(dá)到國(guó)際水平的高性能多功能信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)發(fā)生器在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，各種波形曲線均可用三角函數(shù)方

7、程式來(lái)表達(dá)。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是各種測(cè)試和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不可缺少的工具，在通信、測(cè)量雷達(dá)、控制教學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。不論是在生產(chǎn)、科研還是在教學(xué)上，信號(hào)發(fā)生器都是電子工程師信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)的最佳工具。而且，信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法多，設(shè)計(jì)技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，對(duì)對(duì)應(yīng)的測(cè)試儀器和測(cè)試手段也提出了更高的要求，信號(hào)發(fā)生器已成為測(cè)試儀器中至關(guān)重要的一類，因此，開發(fā)信號(hào)發(fā)生器具有重大意義。 2 設(shè)計(jì)方案方案一：模數(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)，一般是在模擬電路上產(chǎn)生函數(shù)信號(hào)波形，而用數(shù)字方式改變信號(hào)的頻率和幅度。如采用D/A裝換器與壓控電路改變信號(hào)頻率，用數(shù)控放大器或數(shù)控衰減器改變信號(hào)幅度等。方案二：模擬電路實(shí)現(xiàn)，

8、全采用模擬電路，可用正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號(hào)，然后過(guò)零比較產(chǎn)生方波，再經(jīng)積分電路產(chǎn)生三角波。這種方法電路簡(jiǎn)單，并具有良好的正弦波和方波信號(hào)。但要通過(guò)積分器電路產(chǎn)生同步的三角波信號(hào)，存在較大難度。原因是積分電路的積分時(shí)間常數(shù)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(shí)改變。若要保持三角波幅度，就得同時(shí)改變積分時(shí)間長(zhǎng)度的大小，要實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)會(huì)很難。方案三：數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，采用DDS方法，任何頻率的波形都可看做由一系列的取樣點(diǎn)所組成，可事先將各波形的數(shù)據(jù)點(diǎn)存儲(chǔ)在ROM中，再通過(guò)時(shí)鐘的控制順序從ROM中讀出，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化器進(jìn)行逐點(diǎn)恢復(fù)。這種方案的波形精度主要取決于函數(shù)信號(hào)波形的存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù)、D

9、/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度、以及整個(gè)電路的時(shí)序處理等。設(shè)取樣時(shí)鐘頻率為，一個(gè)正弦波由N個(gè)取樣點(diǎn)構(gòu)成，頻率控制字為K，則輸出正弦波信號(hào)的頻率為 公式2-1其信號(hào)頻率的高低，是通過(guò)改變D/A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的速率或是取點(diǎn)數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種方案在信號(hào)頻率較低時(shí)，具有較好的波形質(zhì)量。隨著信號(hào)頻率提高，需要提高輸入數(shù)字量的速率，或減少波形點(diǎn)數(shù)。波形點(diǎn)數(shù)的減少，將直接影響函數(shù)型號(hào)波形的質(zhì)量，而數(shù)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(hào)，而較難產(chǎn)生高頻（如1MHz以上）信號(hào)。經(jīng)上各方案比較，為切合本次課題，故采用方案三。 3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)本課題硬件原理圖較為簡(jiǎn)單，僅有一單片機(jī)STM32F103ZET

10、6及相應(yīng)的一些外圍器件，每種波形在ROM中都存了360個(gè)點(diǎn)，在保持波形失真不太明顯的條件下，最高頻率時(shí)可取點(diǎn)40個(gè)，此時(shí)需要外加RC低通濾波器，使得輸出波形較為平滑。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為72MHz，理論上取40個(gè)點(diǎn)的輸出波形頻率為1.8MHz，但在不同頻率下，經(jīng)過(guò)RC低通濾波后的波形會(huì)有幅值上的衰減，衰減程度在不同頻率下也各不相同，此時(shí)可在RC濾波后加入放大器提高幅值，由于此次設(shè)計(jì)不對(duì)5KHz以上頻率的波形有過(guò)多要求，所以幅值的變化不做太多的關(guān)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(shí)鐘線及串行數(shù)據(jù)線，用法也較簡(jiǎn)單，內(nèi)置中文字庫(kù)，4*16點(diǎn)陣完

11、全夠?qū)崿F(xiàn)本次課題所需顯示。本設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)附錄。3.1 設(shè)計(jì)框圖及流程圖本設(shè)計(jì)由四個(gè)模塊組成：MCU控制模塊、按鍵模塊、信號(hào)輸出模塊和LCD顯示模塊。如圖3-1所示：圖3-1 系統(tǒng)框圖 本設(shè)計(jì)的流程圖如圖3-2，主要需要完成的任務(wù)有：按鍵掃描、LCD的顯示和D/A轉(zhuǎn)換。因此在主程序中對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化。圖3-2 主函數(shù)流程圖 程序主函數(shù)包括時(shí)鐘樹、GPIO口、中斷的初始化。本設(shè)計(jì)利用定時(shí)器觸發(fā)DAC轉(zhuǎn)換器的DMA傳輸，事先將各波形的取樣點(diǎn)存在ROM中，在定時(shí)器作用下，將點(diǎn)取出，由DMA傳輸至D/A轉(zhuǎn)換，輸出，由于DMA傳輸不受主程序控制，因此主程序無(wú)需保持其運(yùn)行。按鍵控制信號(hào)的變換，每個(gè)按鍵對(duì)

12、應(yīng)一個(gè)IO口，當(dāng)按鍵按下時(shí)電平觸發(fā)外部中斷，此時(shí)打開定時(shí)器，產(chǎn)生一個(gè)20ms的延時(shí)去抖動(dòng)，進(jìn)入定時(shí)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(shuō)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(nèi)對(duì)應(yīng)不同的狀態(tài)。此時(shí)根據(jù)不同的鍵值所對(duì)應(yīng)的不同的狀態(tài)選擇將要執(zhí)行的操作。在波形結(jié)構(gòu)體中保存了“波形”、“幅值”、“頻率”和“相位”四個(gè)參數(shù)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(gè)參數(shù)信息顯示在LCD上，由此可完成對(duì)波形的自由修改。通過(guò)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(gè)引腳和105個(gè)GPIO口，因此采用獨(dú)立按鍵邊沿觸發(fā)的方法來(lái)檢測(cè)按鍵。LCD12864采用串行方式傳輸數(shù)據(jù)，只需三根數(shù)據(jù)線。DAC外設(shè)具有兩個(gè)輸出通道，通道1相位可調(diào)，通道2用作與通道1對(duì)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(shù)據(jù)PE7LCD12864時(shí)鐘PA4信號(hào)輸出通道1PA5信號(hào)輸出通道23.2 MCU控制模塊系統(tǒng)的MCU采用STM32

14、F103ZET6作為控制模塊，主要完成按鍵掃描、信號(hào)輸出、LCD顯示等。STM32系列單片機(jī)具有內(nèi)置DAC轉(zhuǎn)換器和DMA控制器，并有最高72MHz的主頻，可完成較高頻率信號(hào)的穩(wěn)定輸出。3.3 按鍵控制模塊系統(tǒng)采用一個(gè)搖桿（包含“上”、“下”、“左”、“右”、“選擇”鍵）和兩個(gè)獨(dú)立按鍵（“加”鍵、“減”鍵）來(lái)控制輸出波形的特征。由于STM32單片機(jī)的定時(shí)器資源豐富，因此按鍵消抖延時(shí)采用定時(shí)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(shí)器中斷流程圖 當(dāng)確定有按鍵按下時(shí)，判斷鍵值并完成相應(yīng)的動(dòng)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(hào)輸出模塊單片機(jī)的DAC外設(shè)、DMA控制器和定時(shí)器共同協(xié)作完成信號(hào)波形的輸出。信號(hào)輸出采用定時(shí)器觸發(fā)DMA傳輸數(shù)據(jù)到DAC寄存器的方式，可大大降低信號(hào)輸出對(duì)CPU的占用率并提高波形的精準(zhǔn)性。DAC信號(hào)輸出的流程圖如圖3-5所示：圖3-5 D/A轉(zhuǎn)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(gè)常數(shù)數(shù)組保存波形值。為了方便相位的變換，每個(gè)數(shù)組保存了360個(gè)波形數(shù)據(jù)。通過(guò)將常數(shù)數(shù)組中的固定值乘以一個(gè)比例系數(shù)后保存到新數(shù)組中，并將新數(shù)組的地址與DAC轉(zhuǎn)換寄存器的地址通過(guò)DMA控制器關(guān)聯(lián)

16、，完成幅值的變換。初始相位的更改，只需更改數(shù)據(jù)的起始取樣點(diǎn)即可。本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是頻率的提高。根據(jù)公式2-1可得出，要改變信號(hào)的頻率，可以通過(guò)改變頻率控制字K或改變DAC頻率實(shí)現(xiàn)。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定值時(shí)，完成一次DAC轉(zhuǎn)換的時(shí)間將大于DMA傳輸?shù)臅r(shí)間間隔，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)部分值無(wú)法被轉(zhuǎn)換的情況，因此不可太高。通過(guò)調(diào)整頻率控制字K也可提高信號(hào)的頻率，即波形數(shù)據(jù)中每K個(gè)點(diǎn)取樣一個(gè)點(diǎn)，可使頻率大大提高。但是由于頻率控制字K的提高會(huì)造成波形的明顯失真，所以波形的輸出采用一級(jí)RC低通濾波器進(jìn)行濾波，平滑波形。綜上所述，當(dāng)頻率低于課題的基本要求5KHz時(shí)，通過(guò)改變實(shí)現(xiàn)頻率的變換。當(dāng)頻率大于5KHz時(shí)，通過(guò)改變頻率控制字K提

17、高信號(hào)的頻率，并將波形通過(guò)RC低通濾波器濾波。RC濾波網(wǎng)絡(luò)如圖3-6所示： 圖3-6 RC濾波網(wǎng)絡(luò)原理圖根據(jù)RC濾波網(wǎng)絡(luò)截止頻率公式 公式3-1根據(jù)輸出波形的頻率適當(dāng)調(diào)節(jié)R4的阻值可較好地實(shí)現(xiàn)低通濾波，平滑波形輸出。3.5 LCD顯示模塊本設(shè)計(jì)通過(guò)LCD12864顯示波形信息，MCU與LCD12864通過(guò)串行方式傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)波形發(fā)生變化時(shí)立即更新LCD顯示信息，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面的交互。4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證在RVMDK上編寫程序，編譯無(wú)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(guò)相關(guān)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(diào)節(jié)顯示，對(duì)應(yīng)示波器的各波形參數(shù)

18、是否一致。調(diào)試結(jié)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(diào)節(jié)各功能按鈕，選擇波形，可在示波器上觀察相應(yīng)的波形輸出，也可通過(guò)按鈕操作改變輸出波形的幅值及頻率，參數(shù)信息可在LCD上觀察。幅值的步進(jìn)值最小為10mv，頻率的最小步進(jìn)值為10Hz。初始相位調(diào)節(jié)功能驗(yàn)證如圖4-5所示： 圖4-5 初始相位調(diào)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(jìn)值為1度。設(shè)計(jì)中通過(guò)多次調(diào)試，在保持每次定時(shí)時(shí)間內(nèi)能完成DMA傳輸和D/A轉(zhuǎn)換條件下，定時(shí)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(jīng)RC濾波器后的輸出波形。可見(jiàn)在此頻率上，失真并不明顯。本次設(shè)計(jì)基本滿足課題的各項(xiàng)要求。5 總結(jié)這學(xué)期的課程設(shè)計(jì)中，我的任務(wù)是資料的查閱和收集，和數(shù)據(jù)的制作，并在程序編寫的過(guò)程中提供一定的思路和方向，參加了調(diào)試工作，提高了課