基于ARM與DDS的高精度正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

摘要：隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，現(xiàn)代的電子測(cè)量、通信系統(tǒng)越來越需要有高精度和靈活的正弦信號(hào)源進(jìn)行測(cè)量和調(diào)試。為了滿足外場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)便攜式信號(hào)發(fā)生器的需要，利用直接數(shù)字合成技術(shù)，通過ARM芯片STM32實(shí)現(xiàn)對(duì)DDS芯片ML2035的控制，產(chǎn)生從0～25 kHz的正弦信號(hào)。結(jié)論表明，使用ARM和ML2035構(gòu)成的正弦信號(hào)源的頻率具有精度高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)方法對(duì)于特定場(chǎng)合的應(yīng)用具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：正弦信號(hào)源;STM32;DDS;ML2035

正弦信號(hào)發(fā)生器是一種廣泛應(yīng)用的信號(hào)源。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，現(xiàn)代的電子測(cè)量、通信系統(tǒng)越來越需要有高精度和靈活的正弦信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行測(cè)量和調(diào)試。而ARM芯片在當(dāng)今由于其高性能、低成本、低功耗，可擴(kuò)展性強(qiáng)，正被廣泛應(yīng)用于便捷式儀器的設(shè)計(jì)。因此，為了滿足對(duì)儀器便捷、靈活及待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等的要求，文中利用DDS技術(shù)通過ARM控制，設(shè)計(jì)了一種便攜式的正弦信號(hào)發(fā)生器，該信號(hào)發(fā)生器的頻率范圍在0～25 kHz，頻率分辨率為1 Hz，輸出幅度為5 V。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

對(duì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案充分理解的基礎(chǔ)上，按照模塊化的設(shè)計(jì)思想，合理劃分各個(gè)不同單元待實(shí)現(xiàn)的功能，從而形成了系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示。

此方案的工作原理及各部分的功能如下：

1)電平轉(zhuǎn)換模塊主要是完成232電平和TTL電平的轉(zhuǎn)換，以便通過串口把檢測(cè)到的有效值發(fā)送到上位機(jī)界面進(jìn)行同步顯示。

2)ARM處理器是整個(gè)方案的控制核心，采用的是STM32芯片。其接收操作人員通過上位機(jī)軟件發(fā)出的各種操作指令以及從按鍵上輸入的指令，按照這些指令的要求，控制信號(hào)產(chǎn)生芯片產(chǎn)生所需的幅度、頻率信號(hào)。

3)按鍵模塊是控制系統(tǒng)中人機(jī)交互的一部分，采用的是4個(gè)獨(dú)立鍵盤。操作人員通過鍵盤輸入想要產(chǎn)生波形的參數(shù)，送給處理器進(jìn)行處理。

4)顯示模塊采用NOKIA5110液晶顯示屏顯示模塊。是將要產(chǎn)生的波形信息利用顯示屏進(jìn)行顯示，可以使操作人員很直觀的知道波形的幅值和頻率。

5)DDS模塊是合成所需頻率的合成器，該模塊選用的ML2035芯片。模塊通過ARM處理器進(jìn)行控制產(chǎn)生所需的頻率。

6)信號(hào)放大模塊完成對(duì)信號(hào)的幅度放大，滿足正弦信號(hào)幅值實(shí)際應(yīng)用的需求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器電路設(shè)計(jì)

處理器電路設(shè)計(jì)包括STM32F103RCT6芯片所用外圍管腳連接、晶振電路設(shè)計(jì)、去耦電路設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)、JTAG調(diào)試電路設(shè)計(jì)。

2.1.1 晶振電路

晶振是為處理器STM32提供頻率基準(zhǔn)的元器件，屬于最小系統(tǒng)中不可或缺的一部分。晶振電路用于向處理器提供工作時(shí)鐘。本系統(tǒng)最小系統(tǒng)晶振電路即時(shí)鐘源包括兩部分：

1)在引腳OSC_IN和OSC_OUT跨接晶振Y1和電容C16、C17共同構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩電路;

2)在引腳PC14和PC15跨接晶振Y2和電容C17、C18共同構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩電路。

本系統(tǒng)使用無源晶振8MHz作為系統(tǒng)的主振蕩器，一個(gè)32.768kHz的晶振作為內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)振蕩器。晶體振蕩器的連接如圖2所示。

2.1.2 去耦電路

電路中存在模擬和數(shù)字電源，需要加入電感和電容組成去耦電路。STM32中有3組VDD/VSS管腳，有1組VDDA/VSSA管腳。盡管所有的VDD和所有VSS在內(nèi)部相連，在芯片外部仍然需要連接所有的VDD和VSS。模擬電源與數(shù)字電源去耦電路如圖3所示。

2.1.3 復(fù)位電路

復(fù)位電路的基本功能是讓系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。本系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的“RC+按鍵”復(fù)位形式，該復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位。如圖4為復(fù)位電路原理圖。

2.1.4 JTAG電路

標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。系統(tǒng)的JTAG除了上面的4 線外，還與處理器連接接了測(cè)試系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)線TRST，并且還必須把測(cè)試時(shí)鐘返回信號(hào)RTCK拉低。系統(tǒng)20針JTAG電路連接如圖5所示。

2.2 DDS模塊電路設(shè)計(jì)

DDS芯片選擇ML2035，本發(fā)生器輸出的低頻信號(hào)主要由STM32通過SPI1接口來控制ML2035產(chǎn)生。ML2035原理圖如圖6所示。ML2035的外圍晶振選用6.5536 MHz可以滿足技術(shù)要求，使用的是STM32的SPI1接口。PA5為SPI1的時(shí)鐘端(SCK)，PA6為主機(jī)輸入從機(jī)輸出端(MISO)，PB4(NSS)為從機(jī)選擇端。

2.3 顯示電路設(shè)計(jì)

在NOKIA5110液晶顯示屏中可以顯示出信號(hào)源的頻率和幅值，本系統(tǒng)LCD和STM32之間采用的是SPI串行數(shù)據(jù)傳輸，采用直接背光的形式，液晶顯示電路的設(shè)計(jì)如圖7所示。

2.4 按鍵電路設(shè)計(jì)

采用4個(gè)獨(dú)立按鍵，每個(gè)按鍵占用一條I/O線，按鍵與處理器的PA0～PA3進(jìn)行連接，按下為0，不按為1，如圖8按鍵電路所示。按鍵電路主要完成4個(gè)功能，對(duì)初始化的頻率值加、減和選擇+5 V、+10 V輸出。

2.5 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

采用LM321設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路。LM321是高增益，內(nèi)部頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器。信號(hào)放大電路圖如圖9所示。

2.6 平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

RS-232C電平與單片機(jī)的TTL電平不匹配，通訊時(shí)必須對(duì)兩種電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)利用的是處理器的串口1，所以處理器的PA9和PA10還要與MAX232進(jìn)行連接。電平轉(zhuǎn)換電路原理圖設(shè)計(jì)如圖10所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ML2035驅(qū)動(dòng)程序

ML2035驅(qū)動(dòng)程序是通過處理器STM32的SPI1口發(fā)送控制字給ML2035，包括SPI1的初始化程序和SPI1讀寫程序，程序如下：

3.2 顯示與接口軟件程序

3.2.1 NOKIA5110液晶顯示程序

NOKIA5110液晶顯示程序的流程圖如圖11所示，本系統(tǒng)寫NOKIA5110顯示程序采用CPIO模擬SPI。

程序代碼編寫如下：

3.2.2 按鍵掃描程序

按鍵掃描程序依次掃描4個(gè)按鍵，使用一個(gè)u8變量的低4位存儲(chǔ)掃描結(jié)果，如果對(duì)應(yīng)位上的按鍵被按下，則該位置0，否則，置1;然后處理掃描結(jié)果，依次判斷u8變量的低4位，如果某個(gè)按鍵被按下，則做出相應(yīng)的處理。按鍵程序流程圖如圖12所示。

按鍵掃描部分程序如下：

4 系統(tǒng)調(diào)試

由DDS的基本原理可以知道，輸出的正弦信號(hào)將有可能出現(xiàn)誤差。但是本系統(tǒng)對(duì)精度要求相當(dāng)高，所以進(jìn)行了信號(hào)的精度測(cè)試。對(duì)于不同的參考時(shí)鐘，將產(chǎn)生不同程度的頻率誤差，表1列舉了ML2035在0～25 kHz頻率范圍內(nèi)，不同輸出信號(hào)產(chǎn)生的誤差。

從表1中可以看出，在小于100 Hz，相對(duì)誤差較小，基本滿足條件。在100～25 000 Hz，可能因?yàn)楦蓴_信號(hào)加強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)儀器誤差、人為因素產(chǎn)生的誤差，導(dǎo)致誤差相對(duì)較大，但是沒超過5 Hz。

5 結(jié)論

系統(tǒng)以DDS模塊為研究對(duì)象，基于ARM處理器、DDS技術(shù)、顯示技術(shù)、EDA技術(shù)等完成高精度、便攜且操作簡(jiǎn)單方便的正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用DDS技術(shù)，有低成本、低功耗、頻率切換時(shí)間短，頻率分辨率高等特點(diǎn);ARM處理器STM32芯片應(yīng)用于信號(hào)源設(shè)計(jì)，具有控制功能強(qiáng)，電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn);ML2035芯片所產(chǎn)生的正弦信號(hào)能達(dá)到很高的精度，且易于調(diào)試，因此它被廣泛用于正弦信號(hào)發(fā)生模塊的相關(guān)領(lǐng)域，為設(shè)計(jì)便攜信號(hào)源提供了良好的芯片選擇。