多功能信号发生器的设计与实现.docx

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多功能信号发生器的设计与实现

多功能信号发生器的设计与实现

1.1研究的意义与目的很早之前，虽然电子设备技术发展十分缓慢，但是一个名为“信号发生器”的设备却已经被人们广泛应用。

20世纪40年代，随着通信技术和雷达技术的发展和普及，很多不同类型的接收机都可以用这个设备来进行检测，通过它来检测接收机是否可以正常接收相应数据。

虽然信号发生器早已问世，但是其功能并不完善，由于其功率损害等问题，经常会出现波形不稳定的情况，不能长时间使用，易受到其他信号扰乱等问题，因此发展速率迟缓，直到1964年才研究出第一台全晶体管的信号发生器，从此信号发生器从逻辑推理的测试仪器成为定量分析的测量仪器。

科学家们认真地学习国外先进的科学技术，到国外进修交流学习，取长补短，不断完善和提升自身的科学技术，推动国家科技的高速发展，相应的电子测试仪器和检测技术比较以前也更加的严谨，不论是在工业生产制造器材、科学研究设备还是高等教育教学方面上，信号发生器都是电子工程师进行信号仿真试验的最好的器材，能有效地提升试验的准确率。

信号发生器因此成为不可或缺的电子测试仪器之一。

信号发生器发展初期多采用模拟电子技术。

随后，由于微处理器技术的普及和数字技术的迅速发展，开始利用单片机来进行信号发生器的设计，并开始采用数字电路来代替以往的机械驱动。

微处理器的出现，带动了信号发生器倾向智能化、自动化发展，相应的电子测试仪器和检测技术比较以前也更加的严谨，不论是在工业生产制造器材、科学研究设备还是高等教育教学方面上。

因此，信号发生器的设计要求和需要考量的部分越来越高，需要与时俱进的发展。

1.2国内外研究现状自60年代以来至今，随着单片机技术的崛起，使得信号发生器发展得越来越实用，信号发生器的设计要求和需要考量的部分越来越高，电子工程师们也研究出各种类型的信号发生器，我们可以根据自己需求挑选使用合适类型的信号发生器。

表1.2

（1）信号发生器的类别类别功能低频信号发生器包括音频（200～20000赫）和视频（1赫～10兆赫）范围的正弦波发生器。

为便于测试系统的频率特性，要求输出幅频特性平和波形失真小。

高频信号发生器频率为100千赫～30兆赫的高频、30兆赫～300兆赫的甚高频信号。

主要用途是测量各种接收机的技术指标。

微波信号发生器分米波直到毫米波波段的信号，信号通常由带分布参数谐振腔的超高频三极管和反射速调管产生，但有逐渐被微波晶体管、场效应管和耿氏二极管等固体器件取代的趋势，便于测试雷达等接收机信号发生器技术发展到现在，海外的几大仪器公司，如日本横河、安捷伦、美国泰克等站在高新技术的前端，他们公司的产品也给我们的电子研发提供了帮助，引领着我们不断进步。

如下表所示。

表1.2

（2）海外公司产品介绍公司产品功能美国福禄克PM5400系列电视信号发生器提供电视、录像机和监视器测试所需的全部信号，支持PAL、NTSC和SECAM模拟视频标准的电视、录像机和视频的监控器的测试。

在任何情形前提下都可以给出很高的波形数据，测试校准数据很可靠。

美国泰克AWG5200任意波形发生器可以灵活、精确的测试创建、验证和检测雷达组件，获得雷达设计的真实实时信号，它采用8个独立同步通道，生成复杂的射频环境，充分利用长信号和播放功能，同时减少设计和构建设置的时间、压力和成本产生具有低噪声的可靠控制源，实现业界最清晰的信号。

日本横河FG220函数信号发生器能产生1μHz至15MHz的正弦波和方波，产生1μHz至200KHz的任意波形，有两个独立通道，有多道扫描功能和调制功能，能通过液晶显示和触摸屏幕直接进行操操作。

国内信号发生器的发展速率迟缓，于今国家的科研技术水平不断提高，能够紧跟国际科研技术的脚步。

成熟的微处理器技术和嵌入式技术带动了信号发生器倾向智能化、自动化发展，能够应用微处理器技术和嵌入式技术制造出趋向国际水准的高要求稳定的多功能信号发生器，对其对应的电子测试仪器和检测手段比较以前也有了更加高的要求，不论是在工业生产制造器材、科学研究设备还是高等教育教学方面上，都需要与时俱进的发展。

表1.2（3）国内公司产品介绍公司产品功能苏州一光仪器有限公司DT402L电子经纬仪有超大屏幕液晶显示，读数方便，操作更易上手。

可广泛应用于用于铁路、公路、桥梁、水利、矿山等方面的工程测量，也可用于建筑、大型设备的安装，应用于地籍测量、地形测量和多种工程测量。

南京盛普仪器科技有限公司SPF120DDS信号发生器一台带有微处理器的数字合成信号发生器，同时具有100MHz的等精度频率计数器功能。

采用现代直接数字合成技术设计制造，与一般传统信号源相比，具有高精度、多功能、高可靠性成都沃特塞恩电子技术有限公司WSPS-433MHz-200W固态微波源采用全固态微波功率器件，输出功率200W，并实现功率任意调节。

PLL锁相技术，频率度高，拥有完善的保护电路，全方位检测和控制模块状态。

专业应用于433MHz医用领域的固态微波设备2多功能信号发生器总体介绍2.1总体方案本次制作的多功能信号发生器是采用STM32F103C8T6单片机为主控模块，它控制着整个系统的软硬件操作。

该多功能信号发生器的正弦波、方波、三角波等波形数据是由STM32F103C8T6芯片产生的低频信号。

按键模块采用独立按键的方式设置输出波形的类型、频率的数据和控制波形信号频率的数值增大或者减小。

电位器模块设定信号发生器输出信号的幅值是在-5V~+5V之间变动。

信号发生器供电方式是USB供电。

STM32F103C8T6芯片作为主要的控制芯片，输出所需波形的数字信号要经过AD9708芯片实现数模转换并输出0V~3.3V的模拟电压。

输出电压经过低通滤波器处理后，再由AD8066芯片将其转换成-5V~+5V的模拟电压输出。

显示模块采用液晶显示器实时显示当前输出的波形的类型、幅值和频率。

2.2系统功能表2.2多功能信号发生器设计的功能功能介绍功能1波形由STM32F103C8T6单片机产生

功能2主控模块采用STM32F103C8T6单片机，控制整个系统的软硬件操作。

功能3按键模块采用独立按键的方式设置输出波形的类型、频率的数据。

功能4显示模块采用液晶显示器实时显示当前输出的波形的类型、幅值和频率。

功能5该信号发生器的控制输出信号频率数值增大或者减小。

功能6该信号发生器的输出信号的幅值是在-5V-+5V之间变动。

2.3系统设计基于STM32F103C8T6单片机是制作多功能信号发生器的核心部分，主要分为合成正弦波、方波、三角波等波形的数字信号与合成正弦波、方波、三角波等波形的类型、频率以及幅值整合成数据的信息展示部分。

正弦波、方波、三角波等波形合成由程序代码进行操纵合成，数据归纳处理后的信息显示部分主要输出经过单片机处理后波形的类型、频率以及幅值的数据实时显示在液晶显示屏上。

如图2.3所示。

STM32F103C8T6最小系统显示程序控制接口电源任意波形合成图2.3系统框架2.3.1设计结构该多功能信号发生器的设计采用STM32F103C8T6单片机的最小系统作为最重要核心部分，进行正弦波、方波、三角波等波形的合成。

采用数模转换器和运算放大器实现正弦波、方波、三角波等波形的输出。

电源模块采用USB供电方式。

按键模块采用独立按键的方式设置输出波形的类型和频率实我数据和控制波形信号频率数值增大或者减小。

电位器模块设定信号发生器输出信号的幅值是在-5V-+5V之间变动。

显示模块采用液晶显示器实时显示当前输出的波形的类型、幅值和频率。

2.3.2组成结构AD8066（运算放大器）AD9708（数模转换器）STM32F103C8T6单片机低通滤波器显示屏电位器按键控制图2.3.2系统组成结构3多功能信号发生器硬件设计该多功能信号发生器的硬件电路主要分成电源模块、主控模块、按键模块、电位器模块、数模转换器模块、显示模块6大模块。

电源模块供电方式是USB供电，接入+5V的电压。

主控模块采用STM32F103C8T6单片机。

按键模块采用独立按键的方式设置输出波形的类型、幅值和频率等数据和控制频率数值增大或者减小。

通过STM32F103C8T6单片机来输出所需波形的数字信号，经过AD9708数模转换器实现数字波形信号转换成模拟波形信号输出，输出电压值是0V~3.3V，输出电压经过低通滤波器处理后，再通过运算放大器将模拟波形信号转换成模拟波形信号输出，此时的模拟电压值是-5V~+5V。

电位器模块设定信号发生器输出信号的幅值是在-5V~+5V之间变动。

显示模块采用液晶显示器实时显示当前输出的波形的类型、幅值和频率。

3.1系统主要芯片介绍3.1.1STM32F103C8T6芯片研发人员通过产品的闪存容量、RMA容量、通信接口、性能和引脚数目来挑选适用系列。

表3.1.1

（1）STM32类别性能/系列基本型系列增强型系列外设STM32F101某某STM32F103闪存（K字节）32~12864~128RMA（K字节）6~1620定时器通用通用高级控制通信接口SPISPII2CI2CUSARTUSBUSARTCNASTM32F103C8T6是STM32系列一款增强型的32位的微控制器，结合了高性能的RISC内核，是本次制作的主控芯片，它控制着整个系统的软硬件操作，所有功能都要依靠主控芯片才能实现。

表3.1.1

（2）STM32F103C8T6主要性能芯片STM32F103C8T6引脚数目48个闪存64KBRMA20K定时器7个模数转换器2个12位通道DMA控制器7个IO端口80个通信接口19个工作电压2.0V~3.6V工作温度-40°C~85°C工作频率最高达72MHz图3.1.1引脚分布图3.1.2AD9708数模转换器数模转换器简称DAC，它是一种能将数字信号波形转换成模拟信号波形输出的器件。

本次制作是通过STM32F103C8T6单片机输出的波形的数字信号，经过AD9708数模转换器将数字量变换成相应的模拟量，实现数字波形信号转换成模拟波形信号输出，输出电压值是0V~3.3V，再通过运算放大器输出-5V-+5V的波形信号。

表3.1.2AD9708主要性能AD9708组成基本上有权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关四部分组成工作电压2.7V~5.5V，可以满足接收数字信号的电压值。

工作温度额定温度范围为工业温度范围电流输出标称满量程输出电流为20mA，输出阻抗大于100kΩ低功耗特性通过降低满量程电流输出，可以将功耗进一步降至45mW，而性能不会明显下降。

此外，在省电模式下，待机功耗可降至约20mW。

3.2电源模块电源是提供电能的装置。

本设计的供电方式是USB供电，输入的是+5V的电压。

使用一个衔接USB总线的转接芯片CH340，实现USB转串口。

CH340芯片内置了USB上拉电阻和电源上电复位电路，UD+和UD-引脚直接与USB总线相连，某I和某D引脚分别对地连接震荡电容，且引脚之间与一个12MHz的晶体相连，芯片才可以正常运作。

PB14引脚和PB15引脚连接单片机，进行接收数据和发送数据。

如图3.2所示。

图3.2电源设计图3.3单片机最小系统单片机最小系统也可称为最小应用系统，由芯片外部接上电源、晶振电路和复位电路和构成的一个基本应用系统。

从数据手册上来看，可以清楚的了解到STM32F103C8T6芯片这颗单片机供电范围是2V-3.6V，但是如果输入电压不在这个范围，比如说是+5V，这个时候就直接给单片机供电的话，芯片就容易损坏。

我们需要把这个+5V电源电压转换成单片机输入电压的范围。

用一个稳压IC可以把+5V的电压输出为3.3V。

这样我们就可以为单片机供给一个3.3V的电源。

如图3.3

（1）所示。

图3.3

（1）稳压线路单片机的晶振电路就相当于人类的心脏，晶振作为心脏为单片机提供一个“心跳”，人的心跳在60Hz-100Hz左右，而单片机的心跳频率却可以很高而且可以根据需要做出相应的改变（不能超过单片机最高时钟频率）。

现在市情上所有的单片机基本上都有自带晶振，与外部晶振相比较，单片机自带的晶振产生偏差会大一点，一般在3%左右，但这个范围内单片机自带的晶振也可以满足大多数产品的需求，增添外部晶振一般是为了降低系统时钟产生的偏差或者让单片机可以获得更加高的主频。

单片机有两个引脚为外部晶振的输入口，如图3.3

（2）所示，晶振的两头接这两个IO口与单片机的PC14和PC15引脚相接，同时在竞争的两头接电容到地，这两个电容取值可以在10~30P之间，两个电容的功用是过滤掉晶振部分的高频信号，让晶振工作的时候更加稳定，不易被其他信号打扰。

图3.3

（2）复位电路电脑重新启动的原理就与单片机复位电路的原理一样，当电脑在运行的过程中出现死机或者“卡死”，可以在主机位置按下重新启动的按钮，这样电脑就可以重新启动和电脑里面的代码就可以重新开始执行。

单片机也是一样，当单片机系统正在运转，受到周围情况扰乱而出现程序代码跑飞的时候，按下复位按钮单片机里面的程序代码就会主动从头开始进行。

复位电路是由一个电容串联一个电阻构成。

根据串联电路的总电压即是各部分电路两端电压之和的性质，当单片机开始上电时，由于电容两端电压不能突然快速地变动，所以电容的电压会通过这个10K的电阻充电而上升到VCC电压，也就是说单片机的RESET引脚会有一段时间为低电平，如果这个低电平所需要的时间胜过单片机复位所需要的时间，那么单片机在上电的进程中便会复位一次。

如图3.3（3）所示。

图3.3（3）复位电路3.4显示模块显示模块采用0.96寸液晶显示器实时显示当前输出的波形的类型、幅值和频率。

显示屏供电范围是直流0V~3.3V。

显示屏工作温度范围是-30°C~70°C。

管脚包含CL时钟信号线、SDA双向数据信号线、VCC电源正、GND电源负，分别与单片机最小系统引脚相接。

通过STM32F103C8T6单片机来输出所需波形的数字信号，波形数字信号经过AD9708数模转换器变换成相应的波形模拟信号，在该液晶显示屏上展示相应的波形类别。

单片机的传输的数字波形信号经过AD9708数模转换器实现数字波形信号转换成模拟波形信号输出，输出电压值是0V~3.3V，输出电压经过低通滤波器处理后，再通过运算放大器将模拟波形信号转换成模拟波形信号输出，此时的模拟电压值是-5V~+5V。

然后使用电位器来设定信号发生器输出信号的幅值是在-5V-+5V之间变动，在显示屏上展示幅值的数值。

单片机使用按键4和按键5控制波形信号的频率的数值增大或者减小，在显示屏上展示频率的数值。

图3.4显示屏实物图3.5按键模块按键模块采用独立按键的方式设置输出波形的类型、频率的数据。

图中每个按键都是通过一个电阻将不确定的信号钳位在高电平，当按键被按下时，按键回路被接通。

从而使衔接单片机的I/O口接地而变成为低电平。

在单片机检测到按键接通而有高电平变为低电平的时候，有程序控制进行频率的主动切换。

4个按键功能分别是调节波形类别，电路复位和频率数值，按键2是复位键，由于电容两端电压不能突然快速地变动，所以电容的电压会通过这个10K的电阻充电而上升到VCC电压，也就是说单片机的RESET引脚会有一段时间为低电平，如果这个低电平所需要的时间胜过单片机复位所需要的时间，那么单片机在上电的进程中便会复位一次。

按键3是根据程序代码控制进行波形类别的主动切换。

按键4和按键5是控制波形信号的频率的数值增大或者减小。

如图3.5所示。

图3.5按键设计图3.6电位器模块电位器模块设置输出波形幅值数据。

表3.6电位器介绍组成作用结构特点原料种类通常是由电阻体与转动或滑动系统组成，即靠一个动触点在电阻体上移动，获得部分电压输出。

调节电压和电流的大小。

电位器的电阻体有两个固定端，通过手动调节转轴或滑柄，改变动触点在电阻体上的位置，则改变了动触点与任一个固定端之间的电阻值，从而改变了电压与电流的大小。

线绕、合成碳膜、金属玻璃釉、有机实芯、导电塑料金属箔、金属膜和金属氧化膜等本次制作多功能信号发生器的选用的是合成碳膜材料的电位器，能够准确地分辨阻值的变化，灵敏度高，而且价格实惠，很符合制作需要。

它作两个引出端使用，视作一可以变化电阻器。

AD8066运算放大器将0V-3.3V模拟电压转换成-5V~+5V的模拟电压输出，这时电位器中的滑动系统中电刷沿电阻体移动改变电阻值或者电压，操纵模拟电压在-5V-+5V之间变动。

3.7PCB板设计在开始绘制PCB板时，我们要先了解电路板，挑选使用哪一种材料制成的电路板符合本次设计。

按照电路图制成的电路板的电路不仅迷你化，还可以清晰的看到电路板上的线路和器件标号，电路也变得简单化。

如下表所示：

 表3.7电路板的介绍电路板性能硬板（PCB）是硬性线路板，是最基本的电路板。

软板（FPC）又称柔性线路板柔性电路板是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性，绝佳的可挠性印刷电路板。

具有配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好的特点。

软硬结合板（FPCB）是柔性线路板与硬性线路板，经过压合等工序，按相关工艺要求组合在一起，形成的具有FPC特性与PCB特性的线路板。

该多功能信号发生器是使用pcb硬板，两面都有嵌入元器件，两层之间的线路使用过孔使线路导通，两面都有进行网状铺铜，保证线路流通。

信号发生器的供电形式是USB供电，故USB接口需要在板子边沿，方便连接。

滤波电容及晶振要尽可能地靠近芯片，线路越短越好，因为振荡的产生避免给时钟信号及其他信号造成干扰。

在焊电路板的时候，电容电阻的体积太小，核心芯片珍贵准备少，要防止虚焊和重要芯片的损坏，需要小心谨慎，焊接的元器件的前后要考虑清楚。

如图3.6所示。

图3.6pcb图4多功能信号发生器软件设计采用STM32F103C8T6单片机、模数转换器、运算放大器输出波形。

在KeilC51环境中编写程序。

STM32F103C8T6单片机通过直接内存存取器发送波形数据，将产生的低频的波形信号传输给模数转换器，在有对应按键按下时程序做出相应处理，再通过液晶显示器实时显示当前输出的波形的类型、幅值增大或者减小和频率增大或者减小的调整。

4.1软件设计总流程图软件设计流程如下图所示。

是是否调节电位器默认正弦波输出是否有按键按下配置STM32F103C8T6最小系统配置DAC波形变换频率调整是幅值调整图4.1软件设计流程图4.2波形输出设计STM32F103C8T6单片机控制产生波形信号，通过数组排列生成正弦波，三角波，锯齿波和方波。

波形数据传经STM32F103C8T6单片机传输要模数发生器AD9708，STM32F103C8T6单片机输出电平为低电平，传输给模数发生器AD9708的是低频的波形信号。

4.3显示程序设计显示模块采用液晶显示器，是4线串行模式，为实时显示当前输出的波形的类型、幅值和频率。

通信接口采用的I2C接口。

部分代码如下：

 voidIIC_Init（void）;//初始化I2C的IO口voidIIC_Start（void）;//发送I2C开始信号voidIIC_Stop（void）;//发送I2C停止信号voidIIC_Send_Byte（u8t某d）;//I2C发送一个字节u8IIC_Read_Byte（unignedcharack）;//I2C读取一个字节u8IIC_Wait_Ack（void）;//I2C等待ACK信号voidIIC_Ack（void）;//I2C发送ACK信号voidIIC_NAck（void）;//I2C不发送ACK信号5结语在开始选择制作多功能信号发生器时，STM32系列的芯片型号多种各样，各有千秋。

最后选择有48个引脚的STM32F103C8T6芯片，尽可能使用到芯片的全部引脚，最大化使用芯片的每一个引脚来实现所需的功能。

电源模块供电方式是USB供电，接入+5V的电压。

主控模块采用STM32F103C8T6单片机，控制整个系统的软硬件操作。

按键模块采用独立按键的方式设置输出波形的类型、幅值和频率等数据和控制输出信号频率的数值增大或者减小。

通过STM32F103C8T6单片机来输出所需波形的数字信号，经过AD9708数模转换器实现数字波形信号转换成模拟波形信号输出，输出电压值是0V~3.3V，输出电压经过低通滤波器处理后，再通过运算放大器将模拟波形信号转换成-5V-+5V的的模拟波形信号输出。

电位器模块设定信号发生器输出信号的幅值是在-5V-+5V之间变动。

显示模块采用液晶显示器实时显示当前输出的波形的类型、幅值和频率。

软件设计是在KeilC51环境中编写程序，STM32F103C8T6单片机通过直接内存存取器发送波形数据，将产生的低频的波形信号传输给模数转换器，在有对应按键按下时程序做出相应处理，再通过液晶显示器实时显示当前输出的波形的类型、幅值增大或者减小和频率增大或者减小的调整。

在绘制电路图时，对于电路结构的不熟悉，只是知道制作需要哪些元器件，模数转换器部分和运算放大器部分的衔接是参考网络上成品的电路设计图。

在电路图完成时，不知道整个电路是否正确，是否可以通电，电压是否会过大烧坏芯片等等的问题随之而来。

在焊电路板的时候，电容电阻的体积太小，核心芯片珍贵准备少，要防止虚焊和重要芯片的损坏，需要小心谨慎，焊接的元器件的前后要考虑清楚。

程序代码的调试需要制作出实物才能有解答。

在每一步的思考中，都需要接触到更多的，只有完善理论的知识，才能更好的制作出成品。

基于STM32F103C8T6单片机的多功能信号发生器与51单片机相比较，前者大大提升了波形的频率，也使其可以运算大量数据，提高了其准确性，信息处理的更加及时，使该多功能信号发生器应用范围更加大。

时光弹指流过，临近毕业，我真诚地感谢给予我无私帮助的计算机系的全体老师，他们的在课堂上传授的知识为本文的论述奠定了理论基础，也给我提供了许多的学习交流的平台，让我学习更加方便。

还有朝夕共处的同学们，陪伴我一起度过了四年青春洋溢的大学时光，与同学相处的点滴会成为美好珍贵的回忆。

最后，我要感谢我的父母及家人们，你们对我的关爱让我深深感受到了生活的美好，谢谢你们一直以来给予我的理解、鼓励和支持，你们是我不断取得进步的永恒动力。