基于stm32的信号发生器.docx

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基于stm32的信号发生器

攀枝花学院本科毕业设计（论文）

基于STM32的信号发生器

学生姓名：

学生学号：

院（系）：

电气信息工程学院

年级专业：

指导教师：

助理指导教师：

二〇一七年六月

摘要

随着电子产品的发展，单片机处理器的应用已经广泛的应用在日常生活中每个角落。

特别是在信号发生器中的应用，信号发生器在各行各业中发挥着重要的作用，具有非常重要的意义，现实中接触比较多的是教学实践中，由于很多学校的研究经费有限，不能购买精密的昂贵器材等原因，急需要设计出一款智能化，低成本的信号发生器，可以输出三角波、方波和正弦波等波形。

在本文中根据现实的需求设计出一款基于STM32F103Cx的信号发生器系统，整体设计由处理器模块、电源电路模块、AD9833电路模块、按键电路模块、数字显示模块几部分组成。

处理器模块采用STM32F103Cx芯片作为该系统的核心处理模块，采用LCD1602液晶显示器作为该系统的显示模块，按键方案采用独立按键的方式更加容易控制设置输出数据，电源接口采用USB方式，使用更加方便。

该设计系统采用altiumdesigner等软件完成PCB版的设计，然后进行焊接和测试等，采用keil软件进行编写软件程序，完成波形的输出等，最后经过软硬件设计出可输出三种波形：

三角波、方波和正弦波。

该系统的设计具有简单和性能优良等优点，最后经过软硬件的调试之后，各项功能和性能都满足设计的要求。

关键词：

STM32F103Cx单片机,AD9833电路模块，液晶显示器1602,DDS信号发生器

ABSTRACT

Abstract:

Withthedevelopmentofelectronicproducts,theapplicationofsingle-chipprocessorhasbeenwidelyusedineverycornerofdailylife.Especiallyintheapplicationofsignalgenerator,thesignalgeneratorinallwalksoflifeplayanimportantrole,hasaveryimportantsignificance,therealityofcontactwithmoreteachingpractice,becausemanyschoolsofresearchfundingislimited,notThepurchaseofsophisticatedequipmentandotherreasons,theurgentneedtodesignanintelligent,low-costsignalgenerator,youcanoutputtriangularwave,squarewaveandsinewaveandotherwaveforms.Inthispaper,accordingtotheactualneedsofadesignbasedonSTM32F103Cxsignalgeneratorsystem,theoveralldesignbytheprocessormodule,powercircuitmodule,AD9833circuitmodule,keycircuitmodule,digitaldisplaymodulecomposedofseveralparts.ProcessormoduleusingSTM32F103Cxchipasthecoreofthesystemprocessingmodule,theuseofLCD1602LCDdisplayasthesystem'sdisplaymodule,thekeyprogramusingaseparatekeywayeasiertocontroltheoutputdataoutput,powerinterfaceusingUSBway,theuseofmoreconvenient.ThedesignsystemusesaltiumdesignerandothersoftwaretocompletethePCBversionofthedesign,andthenweldingandtesting,theuseofkeilsoftwaretowritesoftwareprogramstocompletetheoutputofthewaveform,andfinallythroughthehardwareandsoftwaredesigncanoutputthreewaveforms:

triangularwaveWaveandsinewave.Thedesignofthesystemissimpleandexcellentperformance,etc.,andfinallyafterthehardwareandsoftwaredebugging,thefunctionsandperformancetomeetthedesignrequirements.

Keywords:

STM32F103Cxsingle-chip,AD9833circuitmodule,liquidcrystaldisplay1602,DDSSignalgenerator

第一章绪论

1.1课题背景与研究意义

随着二十世纪四十年代电子仪器时代的兴起到现在，示波器和函数信号发生器的技术越来越成熟，精度和集成度越来越高，体积也越来越小。

并且有了各种不同种类为了满足特殊测试的便携式示波器和信号发生器的出现。

本文根据函数信号发生器的原理，设计了一款适合野外、教学等检测的便携式信号发生器系统。

信号发生器是应用在电子电路以及测试实验等领域的一种常用信号源，它是一种电信号设备，是电子测量及计量工作严格的技术设备。

所以信号发生器的应用是非常广泛的，同示波器、频率计一样是最基本的、最普通的电子仪器，几乎大部分的电参量都要用到它。

近年随着GSM、GPRS、3G、Bluetooth乃至已经被提出的标准的4G等移动通信以及LMDS、无线本地环路等无线接入的发展，同时加上合成孔径雷达、多普勒冲雷达等现代军事、国防、航天航空等在科技上的不断创新与进步，世界各国非常重视频率合成技术的发展。

所有的这些社会需求以及微电子技术、计算机技术、信号处理技术等本身不断进步都极大刺激了数字频率合成器技术的发展。

在日常生产中频率发生器必不可少，然而单一的频率显然无法满足现代的需要，人们往往需要一个频率、幅度都能自动调节的信号源。

但是传统的信号发生器电路复杂，使用不方便。

而采用直接数字合成芯片DDS及外加D/A转换芯片构成的信号源，可产生正弦波、调频/幅波及方波等，并且其信号的频率和幅度都可以按照需求控制非常方便。

而且相比传统的信号源DDS有着体积小、功耗低、成本低等特点。

在信源提供上相比传统发生器稳定可靠，其这一特点深受大家喜爱。

相信随着科技的发展DDS技术将会朝着更小体积，更低功耗，更强大的稳定性方面发展。

随着现代电子技术的不断发展,在通信系统中往往需要在一定频率范围内提供一系列稳定和准确的频率信号,一般的振荡器已经不能满足要求,这就需要频率合成技术。

直接数字频率合成（DirectDigitalFrequen2cySynthesis,DDS）是把一系列数据形式的信号通过D/A转换器转换成模拟量形式的信号合成技术。

DDS具有相对带宽、频率转换时间的短、频率分辨率高、频率分辨率高、输出相位连续、产生宽带正交信号及其他多种调制信号等优点，DDS现已广泛应用于接收机本振、信号发生器、仪器、通信系统、雷达系统等,尤其适合于跳频无线通信系统。

本课题研究的主要目的是：

根据市场的调查通过学习和研究，学习单片机系统的基本原理。

在本文中根据现实的需求设计出一款基于STM32F103Cx的信号发生器系统，整体设计由处理器模块、电源电路模块、AD9833电路模块、按键电路模块、数字显示模块几部分组成。

处理器模块采用STM32F103Cx芯片作为该系统的核心处理模块，采用LCD1602液晶显示器作为该系统的显示模块，按键方案采用独立按键的方式更加容易控制设置输出数据，电源接口采用USB方式，使用更加方便。

该设计系统采用altiumdesigner等软件完成PCB版的设计，然后进行焊接和测试等，采用keil软件进行编写软件程序，完成波形的输出等，最后经过软硬件设计出可输出三种波形：

三角波、方波和正弦波。

该系统的设计具有简单和性能优良等优点，最后经过软硬件的调试等。

1.2国内外研究现状和发展趋势

早在1971年，美国学者提出了全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形，人们把之称为直接数字频率合成器（DDS）。

但是限于当时微电子技术和数字信号处理技术限制，DDS并没有得到足够重视。

随着现代超大规模集成电路集成工艺的高速发展，使得数字频率合成技术得到了质的飞跃，近几年来，随着DDS技术的不断完善和发展，其输出频率、杂散、相位噪声、功耗、集成化等各项性能指标较早期产品已有大大提高，出现了一系列的优秀产品。

由于其在频率合成以及信号调制等方面出色的性能，应用范围已扩展到通信、宇航、遥控遥测、仪器仪表等各项电子领域。

就目前市场来说国外公司任然是DDS芯片主要提供厂商，如AD、高通（Qualcomm）、Stanford。

信号源被称为信号发生器或振荡器,有着非常广泛的应用在工业生产和技术教育领域。

今天信号发生器一直保持高速发展，信号发生器技术自开发以来,引导技术趋势是日本横河,安捷伦、美国泰克和其他外国几个主要设备公司。

信号发生器不仅构成一个独立的来源,并且可以部分高性能网络分析仪,频谱分析仪,和其他自动化测试设备联合。

关键技术在于信号发生器多种高性能仪器支持技术,因为它可以提供高品质的精密信号源和扫描源代码,您可以极大地简化了检测相应的系统程序,降低测试成本,大大提高检测精度。

安捷伦33250型生产函数/任意波形发生器能够产生稳定、准确和低失真任意波形的输出频率范围1uhz～80mhz,和10mvpp～10vpp的输出振幅，该公司生产的8648D射频信号发生器的频率覆盖范围更可高达9kHz～4GHz。

美国福禄克FLUKE-25模型的信号发生器是为数不多的几个仪器大多数现有的测试设备功能的多样性,可以生产高质量的波形和频率计合并在任何条件下,可以得到低失真正弦波和三角波,也可以给小超调快边方波,最高频率可达5mhz,最大输出振幅可达10vpp。

美国泰克生产的DTG5000信号发生器的采样率达到最高3.35Gb/s（数据）。

也有很多类似的仪器,如南京盛聚氨酯仪器有限公司,有限公司SPF120DDS信号发生器,Varco仪器制造HG1600H数字合成函数/任意波形信号发生器。

国产SG1060数字合成信号发生器能双通道同时输出高分辨率、高精度、高可靠性的各种波形，频率覆盖范围为1μHz～60MHz。

国产S1000型数字合成扫频信号发生器通过新技术和新器件可以实现高精度、宽频带的扫频源，同时应用DDS和锁相技术，使频率范围从1MHz～1024MHz能精确地分辨到100Hz，它不仅是一台高精度的扫频源，也是一台高精度的标准信号发生器。

当然还有很多其它的信号发生器，他们各有各的优点，但是信号发生器总的趋势将向着高频率精度、宽频率覆盖、多用途、多功能、自动化和智能化方向发展。

虽然我国己经开始研制信号发生器，并取得了可喜的成果，但总的来说，我国信号发生器还没有形成真正的产业。

我国目前在信号发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。

目前，国际上的任意信号发生器主要体现在以下几个方面：

（1）输出频率越来越高。

过去，合成频率的限制使任意信号发生器的应用局限于地质、生物和机械等领域。

在这些领域中，合成的信号可能是很复杂的，但通常处于较低的频率。

随着集成电路技术的发展。

高速的存储器和D/A转换器的出现使合成的频率得到很大的提高，从而能够在通讯、计算机和显示等领域得到广泛的应用。

（2）信号输入方式更加方便。

对于任意信号发生器，一个重要的问题是如何把信号以数据的形式输入到RAM中去，过去的方法是逐点输入，即事先把数据计算好，然后逐点地输入到RAM中，这种方式费力且速度慢。

现代任意信号发生器的信号如输入方法可分为三类：

一是利用信号分析仪或数字存储示波器（DSO，DigitalStorageOscilloscope）先把信号数字化，然后由软件驱动输入到RAM中。

二是利用数字板或屏幕作图方法。

三是利用函数表达式输入。

复杂的信号由有限个比较简单的信号复合成，v=f（t）。

由于这种方法直观且不需增加硬件，为大多数任意信号发生器所采用，另外有的任意信号发生器还建立了信号库，可直接调出使用。

（3）输出通道增多。

当前，单通道的任意信号发生器在众多场合得到很好的应用。

但是越来越多的用户要求任意信号发生器能多通道同步输出。

对多通道的任意信号发生器的需求最多是来自于测试现代通信装置中需要的同相或正交的信号。

1.3本文研究的主要内容

随着以单片机科学技术的发展和信号发生器技术的发展，小型系统逐渐的影响着人们的日常生活，给人们的生活带来了方便。

下面主要介绍各章节的主要内容：

第一章主要是介绍该设计的研究背景及意义，说明设计该系统具有重大的意义，提出了在该文中需要设计的目的；

第二章主要是介绍该系统设计的方案研究，包括处理器方案、数字显示模块方案和按键方案等，分析比较了几种方案的对比，挑选出适合该系统的最好的方案；

第三章主要介绍硬件设计方案，给出每个模块的详细设计方案，例如电源电路模块、STM32F103Cx处理器模块、按键电路模块、数字液晶器显示模块和AD9833电路模块等；

第四章主要是介绍软件设计方案，主要详细讲解了各个模块的软件设计和软件设计的流程图，包括系统总体设计、三角波输出模块的软件设计、方波输出模块的软件设计、正弦波输出模块的软件设计、按键子程序模块软件设计和数字显示模块的软件设计等；

第五章主要是介绍系统的调试过程，主要讲解了该系统的调试运行状态等，最后给出软硬件调试结果显示；

第六章主要是总结展望，讲述后期需要做哪些工作，需要哪些的改进方案等。

第二章系统方案设计

2.1DDS的基本原理

随着DDS技术的不断发展，DDS的集成芯片早已投入生产和商业中。

在经过了不断的完善后，如今的芯片厂商（Qualcomm公司AD公司standfordTelecom）生产的DDS芯片高度集成化，且外接元件需求极少，使用也极其方便。

由于科技的发展，可编程逻辑器件的出现使得自行使用可编程逻辑器件设计DDS变成了可能。

DDS在实现中需要高速和高性能的数字器件，而可编程逻辑器件的高速、高性能、可编程、低功耗等特性使它成为DDS设计的不二之选。

且由于他的高集成使得整个体积大大减小，在各项应用上更广阔。

直接数字频率合成技术是从相位概念出发，直接对参考正弦信号进行抽样，

得到不同的相位，通过数字计算技术产生对应的电压幅度，最后滤波平滑输出

所需频率。

下图为DDS基本原理图

图2.1DDS基本原理图

直接数字式频率综合器DDS（DirectDigitalSynthesizer），实际上是一种分频器：

通过编程频率控制字来分频系统时钟（SYSTEMCLOCK）以产生所需要的频率。

DDS有两个突出的特点，一方面，DDS工作在数字域，一旦更新频率控制字，输出的频率就相应改变，其跳频速率高；另一方面，由于频率控制字的宽度宽（48bit或者更高），频率分辨率高。

相位累加器在频率时钟fc脉冲的作用下，相位累加器的寄存器输出与加法器控制字K相加，其结果从端口输出。

由于fc不断的发生时钟脉冲，这样相位累加器就可以不断的产生数据。

相位累加器产生的数据从端口输出后，其数据被看作为波形储存器ROM的寻址地址这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出（可以看成是一种映射），完成相位到相应幅值转换。

波形存储器的输出送到D/A转换器，D/A转换器将波形幅值转换成所需要的合成频率的信号。

而这个低通滤波器可以用DSP编程完成，示意框图如下：

图2.2信号走向图

DDS输出信号的频率与基准时钟频率的关系由下式给定：

fout=k×fc/2N

2N为波形储存器的字数

N为相位累加器的位数

K为频率控制字

Fc为时钟频率

2.2处理器方案

单片机处理器的选择是非常重要，如果选择的芯片型号得当，可以使整个系统的软硬件成本降低，而且性能优越，可以具有超乎想象的效果，从而使整个系统更加稳定运行。

如果选择的芯片不好，那就会使整个系统的成本增加，从而极大浪费了资源，不利于资源的整合利用，有些甚至不能达到理想的效果，功能和性能不能满足要求等。

根据设计系统的需求分析，完成系统的设计同时，各项功能和性能是很明确的，技术指标有一定的具体要求等，如果选择的处理器不好，缺少功能等，势必影响整个系统的运行，就是最基本的设计都完成不完，功能少的处理器无法完成所给的功能，势必造成重新制作，这就极大的浪费资源。

如果选择的处理器功能太多，而又用不到也是一种资源的浪费，成本也会升上去。

单片机的选型原则是：

单片机的芯片的功能要大于系统所需的功能需求；单片机选择大厂的，而不要那些小厂的；选择供应量比较大的，不选择小供应量特别小的；一定要选择比较出名的品牌，不要那些毫不知情的厂家；当然越便宜越好，可以减少成本。

通过这些选择的原则，来选择该怎样选择该单片机模块，如下所示三种方案：

方案一，处理器采用STM32F103Cx芯片作为该系统的核心控制模块，该处理器是与ARM芯片的内核属于同一个版本，接口相对比较简单，处理器速度相比传统的51单片机，处理速度非常快。

相比传统的51系列的单片机，该系列的单片机有许多的资源很有价值，同时该STM32F103Cx处理器已经去除了传统的机器周期等，该处理器的处理速度也非常快，该处理器都是采用模块化设计的，界面也得到了人性化的智能简单，功能大大增多，使用起来很丰富，相比传统的51系列的单片机功能简单，该款单片机有很大的使用价值。

同时在该芯片的可以连接更多的外部组件，最后达到了低成本和高性能的优点，还具有低功耗的节能优点等，按性

能可以分为增强型的处理器和基本型的处理器，通过设置内置的参数可以使整个系统达到更加的性能，在该系统中，该芯片可以完全满足该设计的需要，能够实现该设计的全部功能，所示该款芯片很适合该系统。

方案二，采用AT89C51系列的单片机芯片作为核心控制模块，具有5个中断源，两个优先级，还具有两个16位的定时/计数器，只具有12T模式，内部只有128RAM的大小，工作电压只能为5V作为芯片供电电压，而且内部只有4K的存储空间，很难满足该设计的需求，智能通过编辑器来编程，该芯片缺陷太多，在市场的占有很少，主要是因为该芯片功能偏低，对于现代的科技需求还有一定的差距。

在该系统中，由于该芯片功能太少，特别是内存容量比较小，所示不适合该系统。

方案三，自行设计的基于FPGA芯片的解决方案。

DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。

可编程逻辑器件以其速度高、规模大、可编程，以及有强大EDA软件支持等特性，十分适合实现DDS技术。

近年来，现场可编程门阵列（fieldprogrammablegatearray，FPGA）器件被广泛地应用于数字系统，特别适合信号发生器的设计，可以设计输出信号性能非常好的信号发生器。

由上所示，在该基于STM32F103Cx信号发生器系统的核心控制模块，我们采用STM32F103Cx单片机芯片作为该系统的核心模块，该芯片满足设计的需求，不仅能够实现设计的功能，同时还节约浪费，使整个系统达到完美的应用。

2.3显示方案

通过按键设置的输出波形的控制，通过单片机进行处理分析之后，显示模块能够对这些数值信号进行实时显示数据结果，以下具有两种方案，如下所示：

方案一：

采用液晶显示器LCD1602型号。

液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示效果好、抗干扰性强等特点，不仅可以显示数字、字母、特殊符号等字符，还能显示汉字、图形等画面。

还具有触摸功能，能够根据输入的信息，智能化的显示等，通过软件编程的方式实现内容显示，编程工作量大。

方案二：

采用数码管。

数码管能够保持长时间工作而消耗较少能源，其可适应较恶劣环境下的数字显示。

并且通过BCD编码的方式控制点亮每一段LED，程序编译简单。

综合分析比较上述两种方案，基于STM32F103Cx信号发生器系统的显示模块采用液晶显示器显示数据，根据系统设计的需求，液晶显示器已经能够实现数据的显示，而且方便操作，易于管理，同时实现了硬件模块利用的最大化。

2.4按键方案

在该基于STM32F103Cx信号发生器系统中需要实设置当前的输出波形的参数，需要按键进行设置，有以下两种方案。

方案一：

采用矩阵式按键电路。

其特别适用于键盘数量较多情况下的电路设计，凭借矩阵式的行列扫描方式，设备响应快，而且单片机I/O口占用少。

然而矩阵键盘的电路结构较为复杂，编程难度加大。

在该系统中需要的按键比较少，所示会造成很大的资源浪费，这种方案不合适。

方案二：

采用独立式按键电路。

其特点是对于每一个按键都需求在处理器中的一个I/O口，但是比较好的时各端口之间的工作状态互不影响。

当按键数量较多时，需要大量的端口，造成资源的紧缺，而且功能的扩展也受限。

根据该系统，仅仅需要几个按键就能满足要求，则该方案使用于该系统。

综合比较上述两种方案，该系统共设置8个按键，按键数量较少，因此采用方案二更加适合该系统，不仅可以节省资源，而且还可以有效控制按键。

2.5方案确立

通过对该系统认真的分析，根据该系统的需求分析，设计的合理性，再根据以上方案的对比，选出使该系统功能集全和性能优越的方案，如下所示：

（1）单片机模块采用STM32F103Cx单片机作为该基于STM32F103Cx信号发生器系统的核心模块，控制整个系统的软硬件操作；

（2）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、幅值和频率等数据；

（3）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。

第三章硬件设计方案

3.1系统总体设计

在该基于STM32F103Cx的信号发生器系统中硬件的设计采用模块化方案设计，系统包含的模块有电源电路模块、STM32F103Cx处理器模块、按键电路模块、数字液晶器显示模块和AD9833电路模块等。

如下图3-1系统总体框图所示。

其中处理器模块主要是用来操控整个系统，它是整个软件系统的核心部分，数字液晶显示模块主要是负责实时显示当前设置的输出波形和频率等数据，电源电路模块主要负责根据系统的需要，给整个单片机系统提供电压，从而使整个单片机系统可以获取适合的电压，按键电路模块主要是负责设置输出波形的类型、输出频率的大小和输出波形的幅值等，AD9833模块主要是负责根据处理器输出的信号数据转换成模拟量数据输出到示波器中，示波器根据得到的数据显示相应的波形数据。

图3-1系统总体设计框图

3.2处理器模块

在该基于STM32F10