基于STM32F103ZET6的實用信號源的設計和制作

顧浚哲，楊旻薈，田澄睿

（南京信息工程大學電子與信息工程學院，江蘇南京，210044）

0 引言

隨著信號處理領域的發展，信號發生器的開發越來越受到研究人員的重視。由于各種波形曲線均可以用三角函數方程式表示，信號發生器在生產實踐和科研領域中有著廣泛的應用。例如以信號發生器所產生的正弦波對儀器的性能進行測量，以及作為載波對信號進行調制。信號發生器在電子領域內有著重要的地位。本文以DDS芯片AD9850作為核心器件，STM32F103ZET6作為主控芯片，設計了一種成本低廉的實用信號源。本文的技術方案能夠為信號源的應用場景提供有效參考。

1 系統整體方案設計

1.1 總體思路

通過AD9850產生相位互補的正弦波，單片機STM32F103ZET6控制頻率，經過AD8021減法電路結合AD603程控放大，放大后的信號經有效值檢測模塊由單片機ADC測量并換算出電壓值。

1.2 系統結構

基于以上分析，將電路系統與單片機控制結合，形成人機交互界面。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統總框架圖

1.3 抗干擾措施

模塊之間用電壓跟隨器實現分立，減少模塊之間參數的影響。

盡可能增大接地面積，盡可能保證共地，實現高頻信號的穩定傳輸。

2 系統硬件電路設計

2.1 信號發生器部分

本實用信號源的信號發生模塊采用直接數字頻率合成（DDS）方案。DDS核心部分由相位累加器和正弦波查詢表組成。DDS內核在內部邏輯單元的控制下，不斷進行高速數模轉換，在輸出端得到波形信號。DDS技術具有輸出頻率相對較寬，頻率轉換時間短，頻率分辨率高，全數字化結構便于集成，以及相關波形參數（頻率、相位、幅度）均可實現程控的優點。若相位累加器的位數為N，改變頻率控制字K或參考時鐘fr，即可改變輸出正弦波的頻率f0，具體表達式如下：

f0=K×fr/2N

用集成DDS芯片AD9850輸出波形頻率幅值穩定，頻率范圍可滿足設計需求，且其可通過STM32單片機進行程控，便捷高效可移植?

2.2 放大電路部分

DDS信號發生模塊輸出的正弦波幅值在1V左右，為滿足設計要求輸出電壓峰峰值1～8V可調，需在后續加入放大電路。此放大電路需能夠承受設計要求的信號頻率20Hz～3MHz，且有足夠的驅動能力以驅動50Ω負載。

基于上述要求，本實用信號源使用AD8021減法電路相減去除直流分量，經分壓電路分壓后輸入AD603進行放大。DDS產生的相位互補的正弦波，經減法電路后可從理論上完全消除直流分量的影響。且減法電路可同時使信號獲得兩倍放大，一定程度上減輕后續放大模塊的放大壓力。此外，AD603是一款低噪聲、電壓控制型放大器，90MHz帶寬時增益范圍為-11dB至+31dB，9MHz帶寬時增益范圍為+9dB至+51dB。

因此，采用AD8021減法電路結合AD603程控放大無論是從電壓調節范圍還是增益精度都可滿足設計要求。AD603的電路原理圖如圖2所示，AD8021的電路原理圖如圖3所示。

圖2 AD603電路原理圖

圖3 AD8021電路原理圖

2.3 有效值檢測部分

有效值檢測模塊AD637是一款完整的高精度、均方根直流轉換器，可計算任何復雜交流（或交流加直流）的真均方根值、均方值或絕對值，并提供等效直流輸出電壓。AD637擁有很高性能，此模塊可承受輸入電壓60dB范圍以內，輸入頻率范圍0～8MHz。

因此，本實用信號源的有效值檢測部分采用有效值檢測模塊AD637。AD637的電路原理圖如圖4所示。

圖4 AD637電路原理圖

3 系統軟件設計分析

3.1 峰峰值計算部分

輸出正弦波的峰峰值是一個關于頻率和控制電壓的函數，即：

fout=f(h,v)

表1 部分打點數據

3.2 系統軟件實現方法

STM32F103ZET6單片機完成對DDS模塊AD9850的控制和人機交互。整個系統以單片機外拓的矩陣鍵盤控制信號輸入，兩個按鍵分別控制輸入信號的頻率與幅值，一個按鍵控制增減的步長，兩個按鍵分別控制增減。隨后通過DA控制程控放大模塊AD603使輸出信號在0～8V之間。最后通過數據擬合的方式計算低頻段和高頻段的峰峰值。

4 系統測試

4.1 調試與測試所用儀器

(a)數字示波器

(b)函數信號發生器

(c)數字萬用表

(d)虛擬儀器

4.2 測試結果

當輸入信號頻率小于990Hz時，本文所設計的實用信號源采用數據擬合結合有效值檢波模塊AD637獲取控制電壓與輸出峰峰值關系如表2。

表2 控制電壓與輸出峰峰值關系表

當輸入信號頻率大于1500000Hz時，本文所設計的實用信號源采用數據擬合結合有效值檢波模塊AD637獲取控制電壓與輸出峰峰值關系如表3。

表3 控制電壓與輸出峰峰值關系表

本實用信號源所發生的正弦信號如圖5所示。

圖5 發生的正弦信號

5 結語

本文所設計的基于DDS芯片AD9850和主控芯片STM32F103ZET6實用信號源，可以發生頻率20Hz～3Mhz，輸出電壓峰峰值1～8V的正弦信號，并能夠自主設置頻率和峰峰值并顯示在本地屏幕上。本文的實用信號源的設計方法能夠為信號發生器的研究與設計提供一定的參考價值。