【基于DDS的信號(hào)源設(shè)計(jì)11000字（論文）】

山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院本科設(shè)計(jì).引言1.1研究背景與意義信號(hào)源是一種應(yīng)用廣泛的電子儀器，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求產(chǎn)生不同的波形信號(hào)，并實(shí)時(shí)改變頻率、幅度和相位。信號(hào)源也稱為信號(hào)發(fā)生器。根據(jù)產(chǎn)生的信號(hào)類型，信號(hào)發(fā)生器可分為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、脈沖信號(hào)發(fā)生器等。如今，信號(hào)發(fā)生器廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，最常見的本地時(shí)間是測(cè)量無(wú)線電臺(tái)和對(duì)講機(jī)的靈敏度。脈沖信號(hào)發(fā)生器可用于醫(yī)療領(lǐng)域；噪聲信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)，測(cè)量網(wǎng)絡(luò)中輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之間的互相關(guān)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)沖激響應(yīng)函數(shù)；方波信號(hào)發(fā)生器可形成一次信號(hào)，正弦信號(hào)發(fā)生器可用于實(shí)驗(yàn)室學(xué)生的實(shí)驗(yàn)。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，數(shù)字信號(hào)發(fā)生器已逐漸取代傳統(tǒng)的模擬信號(hào)發(fā)生器。近年來(lái)，隨著對(duì)數(shù)電學(xué)研究的深入，DDS產(chǎn)生的最高頻率幾乎達(dá)到了鎖相頻率合成器的水平，該技術(shù)主要應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)航、遙控遙測(cè)、通信、電子對(duì)抗等工業(yè)領(lǐng)域。集成電路中經(jīng)常使用信號(hào)源產(chǎn)生的模擬信號(hào)來(lái)代替前端集成電路中的實(shí)際工作信號(hào)，為后端集成電路設(shè)計(jì)提供理想的信號(hào)?？筛鶕?jù)不同的應(yīng)用目的設(shè)置不同的信號(hào)源特征參數(shù)類型。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，它可以方便地模擬不同信號(hào)類型的模擬信號(hào)，特別適用于電子產(chǎn)品開發(fā)和集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。在集成電路的設(shè)計(jì)和測(cè)試中，我們不僅可以準(zhǔn)確地評(píng)估這些信號(hào)如何處理集成電路的基本功能和電路特性，還可以通過(guò)電路測(cè)量、電路輸入比較和輸出電路信號(hào)分析來(lái)評(píng)估它們是否能滿足電路設(shè)計(jì)的要求。數(shù)字信號(hào)源的用途主要包括產(chǎn)生各種數(shù)字和模擬調(diào)制信號(hào)等數(shù)字通信領(lǐng)域。在生活中，我發(fā)現(xiàn)大多數(shù)信號(hào)發(fā)生器都是按鈕式的。雖然增加了步進(jìn)功能，但這種切換頻率的方法仍然很麻煩，浪費(fèi)時(shí)間。因此，希望在此基礎(chǔ)上增加語(yǔ)音識(shí)別功能，可以輸入所需信號(hào)的頻率，并直接廣播所需頻率。至于語(yǔ)音識(shí)別模塊，市場(chǎng)上的廠商都是為智能家居設(shè)計(jì)的，這與我目前需要的語(yǔ)音識(shí)別模塊并不完全一致，所以我們需要研究和改進(jìn)現(xiàn)有的語(yǔ)音識(shí)別模塊。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，DDS的性能不斷提高。1.2數(shù)字信號(hào)源的發(fā)展歷史20世紀(jì)90年代以來(lái)，直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)逐漸發(fā)展成為一種專用的DDS芯片。由專用DDS芯片和微處理器構(gòu)成的信號(hào)源，不僅可以產(chǎn)生正弦波、三角波、方波等常規(guī)波形，還可以產(chǎn)生帶寬大、頻率精度高的任意波形。21世紀(jì)。21世紀(jì)，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路的研究也不再過(guò)時(shí)。嵌入式處理器正變得越來(lái)越成熟。大多數(shù)大型可編程數(shù)字邏輯器件和嵌入式處理器都可以集成到可編程邏輯器件（PLD）中，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的數(shù)字處理系統(tǒng)和信號(hào)源。當(dāng)技術(shù)成熟時(shí)，程序的信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)的幅度、頻率等參數(shù)都受到控制，無(wú)需增加產(chǎn)生矢量信號(hào)的硬件成本，因此，可以通過(guò)修改軟件程序?qū)崿F(xiàn)矢量信號(hào)的合成，而不增加硬件成本。國(guó)外現(xiàn)有的激光時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器是一種用于控制脈沖激光束產(chǎn)生的激光時(shí)鐘發(fā)生器。這種控制信號(hào)源通常用于一些大型數(shù)字手表產(chǎn)品中。所有控制都與控制器生成的數(shù)字時(shí)鐘控制信號(hào)同步，以方便各種算術(shù)運(yùn)算。家庭中的許多數(shù)字通信產(chǎn)品必須具有時(shí)鐘的自動(dòng)控制，否則會(huì)導(dǎo)致數(shù)字設(shè)備故障。自動(dòng)時(shí)鐘控制可以精確地處理每個(gè)數(shù)字信號(hào)，以確保數(shù)字信號(hào)的傳輸沒(méi)有錯(cuò)誤。用于聲音應(yīng)用的雙通道DDS信號(hào)發(fā)生器采用直接數(shù)字合成原理，由單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。雙通道sigma-delta-DA轉(zhuǎn)換器用于廣播模擬信號(hào)。該信號(hào)源可以產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率、可調(diào)倒數(shù)切換的諧波信號(hào)，提供自動(dòng)頻率調(diào)諧和信號(hào)突發(fā)模式，并通過(guò)音頻分析儀測(cè)量樣本的參數(shù)。該發(fā)生器可以在實(shí)驗(yàn)室中使用，所設(shè)計(jì)的硬件可以作為開發(fā)信號(hào)合成算法的平臺(tái)。通用低頻發(fā)生器可以解決電療中徑向力的形成問(wèn)題。該發(fā)生器的理論基礎(chǔ)是電流是一個(gè)具有正弦波波前和指數(shù)下降的脈沖序列。這種電流的形成是通過(guò)調(diào)節(jié)通用發(fā)電機(jī)的諧波信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)的，每一步都有一個(gè)特殊的轉(zhuǎn)換功能，通過(guò)對(duì)流變載流器和調(diào)制信號(hào)的形式和數(shù)學(xué)模型的分析，可以確定用于調(diào)制器的控制信號(hào)的參數(shù)，以及過(guò)渡部分上變換函數(shù)的表達(dá)式，假設(shè)具有相似頻譜的動(dòng)態(tài)電流具有生物醫(yī)學(xué)等效性，并通過(guò)給定的動(dòng)態(tài)電流的影響來(lái)增加必要的治療效果。近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展相對(duì)較快，電子測(cè)量?jī)x器的性能有了很大提高，體積縮小，可以在多個(gè)場(chǎng)景中使用，因此這類設(shè)備可以在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用。目前，許多工業(yè)應(yīng)用都需要低頻數(shù)字信號(hào)源，從工業(yè)基站或現(xiàn)場(chǎng)卡車設(shè)計(jì)到相關(guān)部件的開發(fā)和設(shè)計(jì)、測(cè)試和量產(chǎn)、EMC或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以準(zhǔn)確測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的頻率特性，重點(diǎn)必須放在確保系統(tǒng)輸出的振幅和頻率特性應(yīng)平坦，輸出波形小，失真低。此外，高頻信號(hào)源和功能波形信號(hào)源也是常見的信號(hào)源。高頻信號(hào)源通常需要一個(gè)稱為L(zhǎng)C型的調(diào)諧頻率振蕩器，頻率信號(hào)可以從調(diào)諧振蕩電容器的刻度中準(zhǔn)確讀取。其主要研究目的之一是作為測(cè)量不同信號(hào)接收機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)。函數(shù)波形信號(hào)源的頻率范圍非常大，可以從幾毫微微赫茲甚至十幾微赫的一階極低濾波頻率擴(kuò)展到數(shù)萬(wàn)兆赫。它們不僅用于工業(yè)測(cè)試、電子通信、儀表和自動(dòng)控制測(cè)量系統(tǒng)，還廣泛應(yīng)用于其他非工業(yè)電工測(cè)量技術(shù)。掃頻發(fā)生器的工作頻率可分為無(wú)線掃頻器、電子掃頻器和電子頻率控制。除了連續(xù)的頻率波動(dòng)外，儀器還可以通過(guò)鍵盤遙控、門控制或無(wú)線觸發(fā)進(jìn)行操作。對(duì)電子電路中的某些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，如掃描電壓表、測(cè)量電路中的噪聲等。，必須提供滿足規(guī)定技術(shù)條件的電信號(hào)，以模擬實(shí)際工作中被測(cè)設(shè)備的勵(lì)磁信號(hào)?？删幊屉娨暅y(cè)試信號(hào)發(fā)生器：用于電視信號(hào)測(cè)試，視頻信號(hào)輸出0～1V，精度±1%。1.3DDS技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀隨著超大規(guī)模集成電路合成技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字頻率合成技術(shù)也取得了飛躍性的發(fā)展。它在相對(duì)帶寬、變頻時(shí)間、相位連續(xù)性、正交輸出、高分辨率和集成度等性能指標(biāo)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)技術(shù)。自20世紀(jì)80年代末以來(lái)，DDS的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，并對(duì)其輸出頻率、假相位噪聲和功耗進(jìn)行了分析。值得注意的是，與以前的產(chǎn)品相比，集成等性能指標(biāo)有了顯著提高，并出現(xiàn)了一批優(yōu)秀的產(chǎn)品。國(guó)外著名的DDS芯片主要有AD9850、AD9851、Q2220等，AD9850采用CMOS工藝，工作電壓約3.3V。這是典型的低功率機(jī)組，功率約為155mw，工作溫度為0-50℃。它此外，該系統(tǒng)以累加器為主要單元，其主要功能是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行累加。由于AD9851芯片的串行接口控制功能操作簡(jiǎn)單，因此可以使用8位并行或多個(gè)串行控制端口，通過(guò)輸入數(shù)據(jù)頻率和信號(hào)相位直接控制數(shù)據(jù)。近年來(lái)，直接數(shù)字頻率合成技術(shù)已應(yīng)用于電子產(chǎn)品的各個(gè)領(lǐng)域。隨著無(wú)線接入技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代軍事、國(guó)防和航天技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，頻率合成器的發(fā)展受到世界各國(guó)的高度重視。所有這些社會(huì)需求以及微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)了頻率合成器技術(shù)的發(fā)展。2.方案論證本設(shè)計(jì)使用的模塊主要包括主控制器模塊、系統(tǒng)穩(wěn)壓器模塊、DDS穩(wěn)壓器模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊、DDS模塊、串口模塊、顯示模塊和頻率控制模塊。如圖1所示：系統(tǒng)穩(wěn)壓模塊系統(tǒng)穩(wěn)壓模塊DDS穩(wěn)壓模塊顯示模塊主控制器模塊頻率控制模塊DDS模塊串口模塊圖1系統(tǒng)原理圖2.1主控制器方案一：本設(shè)計(jì)采用SPCE061A單片機(jī)作為主控制器。凌陽(yáng)公司生產(chǎn)的16位MCU有其優(yōu)缺點(diǎn)。與其他MCU相比，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，功耗低，因此也提高了該MCU的抗干擾能力，使其信號(hào)不易受到自身和外界的干擾；與其他類型單片機(jī)的下限電壓3~6V相比，該單片機(jī)作為芯片使用的電源下限為1~2V，下限電壓很低。可以看出，它對(duì)張力的需求較低，而市場(chǎng)需求較高。低噪聲、高可靠性意味著它能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，目的是提高單片機(jī)的抗電磁干擾能力。當(dāng)然，大容量的量化也是優(yōu)勢(shì)之一。除了上述優(yōu)點(diǎn)外，它還有很多缺點(diǎn)：體積小、引腳大，決定了串行端口的數(shù)量少，而且其相對(duì)老式的處理速度太慢，無(wú)法滿足本設(shè)計(jì)的速度要求。方案二：本設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)為主控制器，完成本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理、DDS頻率輸出控制、鍵盤掃描和LCD顯示控制。AT89S52單片機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)。它具有低功耗和高性能的使用。它可以快速完成大多數(shù)指令。它包含8K閃存，可直接在系統(tǒng)上編程。它使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單。然而，這種設(shè)計(jì)需要大量的數(shù)據(jù)處理，而且在設(shè)計(jì)之初使用了液晶顯示器，需要記錄大量的ROM資源。這樣一來(lái)，芯片的內(nèi)部資源就不夠了，所以需要擴(kuò)展RAM和ROM。電路復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)還使用A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)采集FM信號(hào)，因此更難連接外部A/D轉(zhuǎn)換芯片。因此，該芯片不滿足串口和速度的要求。方案三：本設(shè)計(jì)采用STM32F103RCT6微處理器作為主控制器。該芯片不僅綜合了上述兩種芯片的優(yōu)點(diǎn)，而且解決了引腳不足、運(yùn)行速度慢的缺點(diǎn)。此外，它還有兩個(gè)時(shí)鐘電路,高頻和低頻可以應(yīng)用于大多數(shù)電路。它包括溫度傳感器、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。它的溫度傳感器可以測(cè)量處理器工作時(shí)的溫度。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以直接進(jìn)行頻率采樣，無(wú)需外部擴(kuò)展。A/D轉(zhuǎn)換器減少了串行端口的使用，提高了管腳的利用率，從而最大限度地利用資源。最后，豐富的通信接口為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信提供了前提，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用方案三，以STM32F103RCT6為主控芯片實(shí)現(xiàn)。2.2信號(hào)發(fā)生源方案一：本設(shè)計(jì)可采用反饋LC振蕩原理，已知振蕩器數(shù)量較多。可產(chǎn)生正弦信號(hào)的有電容式、電感式、混合式等，該方案簡(jiǎn)單，但頻率精度調(diào)節(jié)不好且不穩(wěn)定。為了產(chǎn)生三角波和方波，需要過(guò)濾。該電路將在原有的基礎(chǔ)上增加難度，電路將變得越來(lái)越復(fù)雜，并將繼續(xù)影響輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。頻率精度仍然不容易調(diào)整，因此不適合這種設(shè)計(jì)。方案二：本次設(shè)計(jì)可采用DDS技術(shù)的基本原理，采用采樣方式。此圖表應(yīng)測(cè)試所需信號(hào)，并在量化后將其存儲(chǔ)在內(nèi)存中。該內(nèi)存可用作后續(xù)使用的數(shù)據(jù)表。可以直接在數(shù)據(jù)表中找到所需頻率的信號(hào)，然后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量，合成存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)。該方案產(chǎn)生的信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定，但在發(fā)射高頻信號(hào)時(shí)，信號(hào)容易失真，電路復(fù)雜，不適合本設(shè)計(jì)。方案三：廣告主生產(chǎn)的AD9851集成芯片可用于本設(shè)計(jì)。它集成了高速高性能的雙正交DAC、反辛格濾波器、雙48位頻率寄存器、超高速比較等功能，能產(chǎn)生頻率和相位非常穩(wěn)定的正弦或余弦信號(hào)，并能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制的頻率合成。由于DDS集成芯片能夠滿足要求，易于實(shí)現(xiàn)程控調(diào)節(jié)，節(jié)省了硬件電路，因此本設(shè)計(jì)采用了第三種方案。2.3系統(tǒng)穩(wěn)壓模塊在本次設(shè)計(jì)中，MIC5219可以作為本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)穩(wěn)壓器模塊，穩(wěn)壓器模塊具有自身的特點(diǎn)：高峰值電流輸出性能和高效率的加速穩(wěn)壓器。它也有自己的工作要求：當(dāng)最大標(biāo)稱值表明超過(guò)閾值可能損壞設(shè)備時(shí)，必須在恒溫和低工作周期脈沖下測(cè)試其優(yōu)雅的調(diào)整。電壓穩(wěn)定模塊可以通過(guò)CMOS或TTL兼容信號(hào)操作或關(guān)閉。在關(guān)閉模式下，功耗幾乎為零，泄漏接地電流最小化，電池壽命相應(yīng)提高。不僅如此，它還具有反向電流保護(hù)、電流限制、過(guò)熱停機(jī)和低噪聲性能。如有必要，它可以提供固定的輸出電壓，并具有節(jié)省空間的MSOP封裝。它們大多用于筆記本電腦、掌上電腦、手機(jī)、電池供電設(shè)備和高效線性電源。2.4DDS穩(wěn)壓模塊DDS模塊中的芯片主要由三部分組成：頻率控制寄存器、相位累加器和正弦波計(jì)算器。頻率控制寄存器可以根據(jù)需要加載和保存用戶輸入的頻率控制代碼。相位累加器根據(jù)每個(gè)時(shí)鐘周期的DDS頻率控制代碼對(duì)相位進(jìn)行累加，以獲得相位值。正弦波計(jì)算相位值的數(shù)字正弦波的振幅。DDS芯片通常發(fā)出數(shù)字正弦波，因此需要高速D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器才能獲得可用的模擬頻率信號(hào)。一些DDS芯片還具有內(nèi)置的振幅、頻率和均衡調(diào)制功能以及D/A轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)采用ams117線性穩(wěn)壓芯片，穩(wěn)壓模塊的輸入電壓限值為15V。將22uF電容器連接到輸出端可以確保ams117線性調(diào)節(jié)器模塊的穩(wěn)定性。一般來(lái)說(shuō)，線性調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性會(huì)隨著輸出電流的增加而降低。該穩(wěn)壓器是一個(gè)低泄漏和電壓損失的調(diào)節(jié)周期，可以將5V電壓降低到穩(wěn)定的3.3V。其調(diào)壓管由PNP驅(qū)動(dòng)的NPN管組成。絕對(duì)最大額定值為20V，儲(chǔ)存溫度為-65~150℃，靜態(tài)電流為10mA。其固定電壓為1.2V，輸出電壓精度為2%。具有片上過(guò)熱切斷電路過(guò)載、過(guò)熱保護(hù)和功率限制功能,可以減少根信號(hào)對(duì)信號(hào)的干擾。2.5頻率控制模塊方案一：鎖相環(huán)和振蕩器的方案有很多，包括三個(gè)鎖相環(huán)和鎖相環(huán)。它們的三個(gè)部分有各自的功能：相位檢測(cè)器類似于相位比較器。鑒相器輸出電壓與兩個(gè)信號(hào)的相位有關(guān)，其輸出為兩個(gè)信號(hào)的相位差；此外，環(huán)路濾波器與高頻濾波器相對(duì)應(yīng)，可以濾除信號(hào)中的高頻成分和噪聲，以確保環(huán)路的性能要求；最后，壓控振蕩器的輸出電壓由環(huán)路濾波器控制，使其輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位保持一定的比例，達(dá)到鎖相的目的。為了實(shí)現(xiàn)鎖相頻率調(diào)制，除了低通濾波器通帶中調(diào)制信號(hào)的頻譜外，壓控振蕩器的中心頻率位移還應(yīng)鎖定在具有高穩(wěn)定性的晶體頻率，以便振蕩器能夠隨著調(diào)制信號(hào)的變化產(chǎn)生大位移。不難發(fā)現(xiàn)，該方案的中心頻率和頻率位移相對(duì)準(zhǔn)確直觀，但電路復(fù)雜，不使用。方案二：本設(shè)計(jì)可以使用stm32f103rct6芯片來(lái)調(diào)整DDS集成芯片的頻率。該芯片包含一個(gè)12位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以測(cè)試信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行離散。從電路中采集數(shù)據(jù)后，通過(guò)計(jì)算得到相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)的位移，然后在單片微機(jī)內(nèi)根據(jù)計(jì)算出的位移控制DDS的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)功能，其硬件只能借助彈性鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)。如上所述，本設(shè)計(jì)將采用方案二中STM32的內(nèi)置調(diào)整。2.6串口模塊方案一：本設(shè)計(jì)可以使用CH340串口芯片。串口芯片可以在5V或3.3V電壓下工作。當(dāng)工作電壓為5V時(shí)，該芯片的VCC引腳除輸入5V電壓外，V3引腳還應(yīng)外接0.1UF功率去耦電容；當(dāng)工作電壓為3.3V時(shí)，芯片的V3引腳必須與VCC引腳連接，同時(shí)向它們輸入3.3V電壓。此時(shí)，連接到芯片的所有電路的電壓不得超過(guò)3.3V。CH340芯片的第一個(gè)引腳用于輸入異步復(fù)位信號(hào)。只有在高電平時(shí)才能復(fù)位，否則芯片將延遲20毫秒后才能進(jìn)入工作模式。CH340芯片可以實(shí)現(xiàn)USB到串口的功能。在串口模式下，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)擴(kuò)展異步串口。該芯片還可用于與主控制器通信。雖然這種串行端口模式有很多功能，但此處使用的電路相對(duì)復(fù)雜，因此不使用。方案二：本設(shè)計(jì)采用CP2102串口芯片。它集成ROM，可用于存儲(chǔ)有關(guān)產(chǎn)品的許多信息，如USB供應(yīng)商ID、產(chǎn)品ID、電源參數(shù)、設(shè)備版本號(hào)、產(chǎn)品說(shuō)明和設(shè)備制造商定義的周期序列號(hào)。CP2102高度集成，帶有USB發(fā)射器、異步串行數(shù)據(jù)總線和內(nèi)置USB20全速功能控制器、振動(dòng)放大器等。其一些工作原理類似于USBUART。USB端口可以通過(guò)使用虛擬COM端口驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行擴(kuò)展。該芯片性能特別好，在本實(shí)驗(yàn)中電路非常簡(jiǎn)單，易于使用。根據(jù)以上描述，方案二中的CP2102將用作本設(shè)計(jì)中的串行端口模塊芯片。2.7顯示模塊方案一：本設(shè)計(jì)采用LCD1602顯示屏。LCD1602顯示器是一種工業(yè)字符液晶，可同時(shí)顯示32個(gè)字符。它利用液晶的物理特性和電壓來(lái)控制要顯示的區(qū)域，然后打開電源來(lái)顯示我們想要顯示的一些圖形。它由幾個(gè)點(diǎn)陣字符位組成，每行有一個(gè)特定的范圍，可以起到行距和字符間距的作用。顯示模塊是一個(gè)全屏設(shè)備。為了執(zhí)行每條指令，需要檢查模塊的記錄標(biāo)志是否處于低電平。如果它處于低電平，則表示它不忙，那么指令不會(huì)失敗，可以繼續(xù)下一步。LCD1602存儲(chǔ)了多種點(diǎn)陣字符圖形，基本上包含了計(jì)算機(jī)鍵盤上的所有字符。每個(gè)字符都有相應(yīng)的固定代碼。但是屏幕不能顯示中文，所以它不能直觀地顯示我想要顯示的數(shù)據(jù)。方案二：本設(shè)計(jì)采用LCD12864顯示屏。LCD1284屏幕是帶有中文字體的屏幕。它還可以通過(guò)LCD1602等點(diǎn)陣顯示各種圖形。LCD12864可以通過(guò)LCD1602顯示，也可以顯示漢字、圖形等。至于軟件，屏幕在打字前必須掌握漢字造型的方法。顯示器包含許多功能，如指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、忙標(biāo)志、顯示控制觸發(fā)器、XY地址計(jì)數(shù)器、顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等。此外，它還有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，即使用的電壓低，驅(qū)動(dòng)程序代碼也非常簡(jiǎn)單，易于操作，非常適合這種設(shè)計(jì)。方案三：本設(shè)計(jì)可采用LED數(shù)碼管顯示。LED數(shù)碼管有兩種驅(qū)動(dòng)方式，即靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。對(duì)于靜態(tài)驅(qū)動(dòng)，也可以稱為直流驅(qū)動(dòng)?？梢岳斫?，每段數(shù)碼管都可以由單片機(jī)的I/O端口供電。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)編程特別簡(jiǎn)單，屏幕亮度高，但它特別占用I/O端口。當(dāng)使用多組數(shù)碼管時(shí)，I/O端口會(huì)有一些空位；至于動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)程序，它將連接數(shù)碼管八個(gè)屏幕層的同名端。每根數(shù)碼管都增加了一個(gè)位選通控制電路，由其獨(dú)立的I/O線控制。在重新編程期間，將根據(jù)單個(gè)芯片微型計(jì)算機(jī)的位選通控制顯示不同的符號(hào)，但前提是我們需要打開數(shù)碼管的選通控制。這種顯示方式笨重，不能顯示漢字，觀測(cè)數(shù)據(jù)不直觀，不適合本設(shè)計(jì)。綜上所述，采用方案二LCD12864作為顯示模塊。3.硬件模塊詳解3.1STM32F103RCT6簡(jiǎn)介3.1.1綜述STM32F103RCT6是基于Cortex-M3架構(gòu)核心的32位處理器產(chǎn)品。它內(nèi)置128KB閃存、12位AD轉(zhuǎn)換、、20Kram、三個(gè)UART通信端口和其他可用資源。時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72mhz。3.1.2結(jié)構(gòu)概覽STM32F103RCT6內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示：圖3內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.1.3芯片引腳排列說(shuō)明STM32F103RCT6采用LQFP64封裝，共64個(gè)引腳。布置如下圖3和圖4所示：圖3芯片原理圖1圖4芯片原理圖2STM32F103RCT6芯片封裝圖如圖5所示：圖5芯片封裝圖3.2信號(hào)發(fā)生模塊3.2.1綜述AD9851是一種新型的全數(shù)字可編程頻率合成器，它最終可以將高速D/A轉(zhuǎn)換器和DDS技術(shù)結(jié)合起來(lái)。它需要精確而適度的控制來(lái)產(chǎn)生頻率、相位和幅度可編程的純正弦信號(hào)，以便用作信號(hào)源。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘達(dá)到300MHz時(shí)，其輸出信號(hào)的頻率分辨率基本不變或?yàn)?.001Hz。由于其特殊的電路結(jié)構(gòu)，其最大輸出頻率可達(dá)150MHz，輸出頻率調(diào)整速度可達(dá)每秒100m新頻率。AD9851芯片在信號(hào)幅度管理中具有12位數(shù)字乘法器，并提供12位輸出幅度調(diào)整速度，因此其幅度可以有效調(diào)整。AD9851還包括一個(gè)時(shí)鐘倍頻電路，它可以使用一個(gè)相對(duì)較低的外部時(shí)鐘頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)較高的系統(tǒng)時(shí)鐘電路，降低了芯片對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)頻率的要求。3.2.2特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)AD9851的電路結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生同步方形輸出信號(hào)，其最大頻率可達(dá)150MHz，并可進(jìn)行數(shù)字設(shè)置。在設(shè)計(jì)之初，該芯片集成了兩個(gè)高速、高性能的正交D/A轉(zhuǎn)換器，通過(guò)數(shù)字編程可以發(fā)出兩個(gè)合成信號(hào)。該芯片的DDS核心具有48位的頻率分辨率，可以發(fā)出17位的相位截?cái)啵源_保良好的無(wú)偽動(dòng)態(tài)范圍指數(shù)。在配置高速比較器時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器可以用12位D/A輸出的方波代替。它還具有開關(guān)形成鍵控功能，兩個(gè)12位數(shù)字方形可編程幅度控制器和可控方波輸出。AD9851芯片有兩個(gè)14相寄存器和一個(gè)用于BPSK操作的引腳。它有一個(gè)正弦波，最大輸出振幅約為500mv，方波約為4.5V；方波不能調(diào)節(jié)振幅，三角波不僅可以調(diào)節(jié)振幅，而且隨著頻率的升高，最大輸出電壓也會(huì)降低。該模塊的驅(qū)動(dòng)電流約為600mA，最小階躍頻率為1Hz。低頻外部時(shí)鐘也可以用來(lái)產(chǎn)生300MHz系統(tǒng)時(shí)鐘。3.2.3芯片引腳排列及功能AD9851工作在串行I/O方式時(shí)，芯片使用的控制管腳的描述如下表所示表1芯片管腳及功能管腳編號(hào)管腳名稱功能描述17A2IORESET：控制口復(fù)位18A1SDO：串行輸出19A0SDIO：串口輸入/輸出20I/OUDCLOCKUpdateClock：控制信息刷新信號(hào)21WRBSCLK：串行時(shí)鐘22RDBCS：片選信號(hào)71MRESETAD9851復(fù)位3.3正弦調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生1K正弦調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生采用DDS技術(shù)。DDS技術(shù)采用全數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率合成與其他通用頻率合成技術(shù)相比，DDS技術(shù)具有一些突出的優(yōu)勢(shì)和獨(dú)特的性能：DDS在相對(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、頻率分辨率等多項(xiàng)性能指標(biāo)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)的水平，相位連續(xù)性、正交輸出和積分。DDS工作原理框圖如下圖6所示：頻率預(yù)置電路加法器頻率預(yù)置電路加法器波形存儲(chǔ)器D/A轉(zhuǎn)低通濾波器KN位S（n）S（t）合成信號(hào)輸出如果想控制輸出信號(hào)的頻率，預(yù)先設(shè)定頻率并調(diào)整電路。此處所需的預(yù)設(shè)值可以稱為步長(zhǎng)，可以用作數(shù)據(jù)累加器。使用電池，在256/K時(shí)鐘周期后返回原始狀態(tài)。一個(gè)周期后，相應(yīng)的波形查找表將在一個(gè)周期后返回其原始位置，因此DDS將發(fā)出一個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)，周期為T=（256/k）Tc，頻率為F=（k/256）FC。相應(yīng)的數(shù)據(jù)S（n）（振幅代碼）通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成階梯波S（T），信號(hào)通過(guò)低通濾波器，但信號(hào)變得平滑，然后發(fā)出所需的波形。合成信號(hào)波形的形狀取決于波形中存儲(chǔ)的振幅代碼。因此，DDS可以生成任何波形。該設(shè)計(jì)要求正弦失真更小，1KHz調(diào)制的穩(wěn)定性更好。DDS的失真與系統(tǒng)中存儲(chǔ)的深度密切相關(guān)，同時(shí)也受到D/A轉(zhuǎn)換器本身噪聲的影響。如果q作為統(tǒng)一量化范圍，近似數(shù)學(xué)比率為： 由DDS設(shè)計(jì)的電路產(chǎn)生的波形中含有大量高次諧波，因此必須通過(guò)低通濾波器才能使波形更平滑，從而降低失真。因此，使用巴特沃斯的二階低通濾波器可以使信號(hào)在所需通帶內(nèi)的波動(dòng)最小化。巴特沃斯電路如圖7所示。圖7二階巴特沃斯濾波器3.4三角波調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生DDS技術(shù)的核心類似于計(jì)數(shù)器，即相位累加器。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)時(shí)，相位累加器將增加字長(zhǎng)的相位增量，并且氣味增量可由頻率控制字確定。信號(hào)波形的數(shù)據(jù)表包含在中間周期內(nèi)生成的信號(hào)的振幅和相位信息。讀取相位累加器輸出的相位信號(hào)值的振幅數(shù)據(jù)，并使用DAC將讀取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。相位累加器循環(huán)疊加，這將保持輸出信號(hào)相位的連續(xù)性。相位累加器執(zhí)行線性相位累加器。每次填充時(shí)，它都會(huì)溢出數(shù)據(jù)。這個(gè)溢出是輸出信號(hào)的頻率。頻率越高，相位累加器的溢出率越高，頻率控制字的香味增加越大。如果頻率控制字的相位增量為K，參考時(shí)鐘頻率為，且相位累加器中的位數(shù)為N，則DDS系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率為：輸出信號(hào)的頻率分辨率為：3.5LCD顯示器3.5.1綜述LCD12864是一款具有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)和二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊，因?yàn)樗嵌嗤ǖ啦⑿泻投嗤ǖ来械?，具有多種接口模式；Lcd1128是一種點(diǎn)陣液晶顯示器，也是一種中文顯示×64全點(diǎn)陣液晶顯示器，行/列驅(qū)動(dòng)。LCD12864可以通過(guò)LCD1602顯示，也可以顯示漢字、圖形等。至于軟件，屏幕在打字前必須掌握漢字造型的方法。該模塊具有不同的界面模式，操作說(shuō)明簡(jiǎn)單方便，可以形成中文人機(jī)交互界面。與同類液晶顯示模塊相比，由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案在硬件和軟件上都要簡(jiǎn)單得多，因此非常適合本設(shè)計(jì)。3.5.2控制器接口信號(hào)說(shuō)明RS，R/W的配合選擇決定控制界面的4種模式如表2所示：表2功能管腳表RSR/W功能說(shuō)明LLMPU寫指令到指令暫存器LH讀出忙標(biāo)志（BF）及地址計(jì)數(shù)器（AC）的狀態(tài)HLMPU寫入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)暫存器（DR）HHMPU從數(shù)據(jù)暫存器（DR）中讀出數(shù)據(jù)表3E信號(hào)E狀態(tài)執(zhí)行動(dòng)作結(jié)果高低I/O緩沖DR配合/W進(jìn)行寫數(shù)據(jù)或指令高DRI/O緩沖配合R進(jìn)行讀數(shù)據(jù)或指令低/低高無(wú)動(dòng)作表2和表3顯示，BF提供內(nèi)部工作條件；當(dāng)BF=1時(shí)，模塊不接受外部數(shù)據(jù)和指令，現(xiàn)有指令將被直接刪除。但是，當(dāng)BF=0時(shí)，模塊可以隨時(shí)接受并執(zhí)行外部數(shù)據(jù)和指令。地址計(jì)數(shù)器因指令記錄而改變。讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)時(shí)，地址計(jì)數(shù)器的值將自動(dòng)增加1。當(dāng)RS為“0”且R/W為“1”時(shí)，累積值將加載到串行端口。此外，模塊中指針的閃爍位置也可以由地址計(jì)數(shù)器的值確定。4.硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路可以使用Ad軟件或Protel99SE軟件，但ad軟件不僅包含了ProtelDXP和Protel99SE的優(yōu)點(diǎn)和功能，還對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，增加了許多高端功能。廣告軟件擴(kuò)展了傳統(tǒng)的板級(jí)設(shè)計(jì)接口，集成了SOCC設(shè)計(jì)功能和FPGA設(shè)計(jì)功能，使工程師總裁能夠?qū)CB、FPGA設(shè)計(jì)和嵌入式設(shè)計(jì)集成到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。這可以減少使用多個(gè)軟件的麻煩，并在AD軟件上執(zhí)行要執(zhí)行的步驟。因此，AD軟件占用的內(nèi)存空間較大，對(duì)計(jì)算機(jī)配置和系統(tǒng)要求較高。在設(shè)計(jì)該硬件電路時(shí)，主要包括串口電路、顯示電路、穩(wěn)壓電路、STM32主控電路、按鍵電路和AD9851電路。4.1STM32主控電路及液晶顯示電路復(fù)位電路及晶振電路，如圖8圖8復(fù)位及晶振電路PD2作為液晶背光控制端口。具體電路如下圖9所示：圖9主控LCD12864電路如圖10所示：圖10液晶4.2系統(tǒng)電源模塊及DDS電源本系統(tǒng)需要采用MIC5219作為穩(wěn)壓芯片如圖11：圖11系統(tǒng)穩(wěn)壓源DDS模塊需要采用AM1117線性穩(wěn)壓芯片如圖12：圖12DDS穩(wěn)壓電源4.3AD9851信號(hào)源模塊有三種信號(hào)輸出，即方波、正弦波和三角波。SMA連接器用于輸出接口，最終通過(guò)N個(gè)連接器傳輸屏蔽線連接到示波器，如圖13所示：圖13AD9851信號(hào)源4.4控制模塊本設(shè)計(jì)采用5個(gè)獨(dú)立的按鍵作為選擇控制模塊，用于調(diào)節(jié)信號(hào)的頻率，如圖14：圖14按鍵4.5串口模塊本設(shè)計(jì)采用CP2102作為TTL電平轉(zhuǎn)換芯片用于串口測(cè)試，如圖15：圖15串口電路系統(tǒng)供電采用USB供電方式，如圖16：圖16USB接口5.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試5.1Keil軟件的介紹Keil5是美國(guó)公司生產(chǎn)的ARM系列嵌入式芯片，是一個(gè)友好、功能強(qiáng)大的C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)。C語(yǔ)言易學(xué)易用，體現(xiàn)在它在維護(hù)性、結(jié)構(gòu)、功能和可讀性方面的明顯優(yōu)勢(shì)。Keil軟件通過(guò)一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境，將C編譯器、庫(kù)管理、插件、宏組裝等功能結(jié)合起來(lái)，完整地開發(fā)了其方案。Keil的優(yōu)勢(shì)在于，它不僅非常適合用C語(yǔ)言編程，而且當(dāng)你對(duì)C不太了解時(shí)，也可以用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編輯。只因?yàn)樗鼜?qiáng)大的軟件模擬和故障排除工具以及方便易用的集成環(huán)境，它提高了你的工作質(zhì)量和效率。Keil5軟件提供強(qiáng)大的集成開發(fā)和故障排除工具以及庫(kù)功能。keil5生成的目標(biāo)代碼的效率非常高。大多數(shù)語(yǔ)句生成的代碼非常緊湊，易于理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)，它可以更好地反映其高級(jí)語(yǔ)言的質(zhì)量。5.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件主要包括各種信號(hào)的設(shè)置和控制，具有友好的界面和操作菜單。5.2.1軟件流程圖軟件流程如下圖17所示：開始開始初始化頻率設(shè)計(jì)DDS轉(zhuǎn)換波形輸出圖17系統(tǒng)軟件流程圖5.2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理如果我們想要設(shè)計(jì)軟件，我們需要將其與硬件電路結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析。根據(jù)設(shè)計(jì)的硬件電路，我們可以估計(jì)剩下的部分需要軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)這種方式，我們可以使用簡(jiǎn)單的代碼使電路更加完整，因?yàn)槭褂么a生成數(shù)字信號(hào)可以有效地降低電路的復(fù)雜性。在軟件設(shè)計(jì)中，我們需要對(duì)要設(shè)計(jì)的軟件進(jìn)行總體規(guī)劃和布局。軟件可分為執(zhí)行軟件和監(jiān)控軟件。監(jiān)控軟件主要協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊與操作員之間的關(guān)系。執(zhí)行軟件可以完成一些基本功能，如計(jì)算、測(cè)量、打印、輸出控制和通信。這兩種軟件執(zhí)行軟件與硬件電路密切相關(guān)，它們的設(shè)計(jì)側(cè)重于算法和效率。在整個(gè)軟件規(guī)劃過(guò)程中，需要進(jìn)行軟件分析。目前，每個(gè)模塊都必須逐個(gè)構(gòu)建，每個(gè)模塊都必須定義。目前，每個(gè)模塊使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型也必須一起規(guī)劃。系統(tǒng)軟件也可分為前臺(tái)程序和后臺(tái)程序。前臺(tái)程序是任何具有高實(shí)時(shí)性的內(nèi)容，如中斷和定時(shí)系統(tǒng)。后臺(tái)應(yīng)用程序是一些不需要高實(shí)時(shí)性能的內(nèi)容，例如要調(diào)用的主應(yīng)用程序和子例程。因此，顯示程序、打印程序和監(jiān)控程序通常放在后臺(tái)程序中。您還可以將所有程序放在前臺(tái)程序上，以節(jié)省系統(tǒng)電源和抗干擾。5.3信號(hào)產(chǎn)生的程序AD9851通過(guò)不同的定時(shí)控制產(chǎn)生不同頻率的信號(hào)，通過(guò)程序控制產(chǎn)生不同波形的數(shù)字信號(hào)，然后產(chǎn)生所需頻率的方波和正弦波。正弦波經(jīng)過(guò)電路濾波，形成三角波。產(chǎn)生正弦波的程序如下：ucharcount;ucharAdress;Adress=0x04;Freq_convert(Freq); for(count=6;count>0;) { AD9851_WR_Byte(Adress++,FreqWord[--count]);} AD9851_WR_Byte(0x21,Shape>>8); AD9851_WR_Byte(0x22,(uchar)(Shape&0xff)); AD9851_WR_Byte(0x23,Shape>>8); AD9851_WR_Byte(0x24,(uchar)(Shape&0xff)); AD9851_UDCLK=1;AD9851_UDCLK=0;5.4測(cè)試儀器CA1022示波器為用戶提供了單一清晰的前面板，具有優(yōu)異的技術(shù)指標(biāo)和多功能特性。CA1022示波器的通道刻度和位置旋鈕與傳統(tǒng)儀器一致。示波器還具有自動(dòng)掃描功能。當(dāng)您按下自動(dòng)鍵時(shí)，可以立即獲得適合波形顯示的檔位。CA1022示波器正面有按鈕和功能鍵，屏幕右側(cè)有5個(gè)菜單鍵。這些案例可以設(shè)置當(dāng)前菜單的選項(xiàng)；右邊的鍵是功能鍵。這些鍵可以下載特定的功能程序或其他功能菜單。CA1022雙通道數(shù)字示波器的前面板結(jié)構(gòu)如圖18所示：圖18前面板控制及功能5.5指標(biāo)測(cè)試5.5.1正弦波指標(biāo)測(cè)試以1Hz為測(cè)試點(diǎn)測(cè)試結(jié)果如圖19：圖191Hz正弦波以1KHz為測(cè)試點(diǎn)測(cè)試結(jié)果如圖20：圖201KHz正弦波以1MHz為測(cè)試點(diǎn)測(cè)試結(jié)果如圖21：圖211MHz正弦波以10MHz為測(cè)試點(diǎn)測(cè)試結(jié)果如圖22：圖2210MHz正弦波5.5.2方波指標(biāo)測(cè)試以1KHz為測(cè)試點(diǎn)測(cè)試結(jié)果如圖23：圖231KHz方波以10MHz為測(cè)試點(diǎn)測(cè)試結(jié)果如圖24：圖2410MHz方波5.6測(cè)試結(jié)果經(jīng)過(guò)測(cè)量、觀察和比較，電路板溫度的升高會(huì)導(dǎo)致輸出