基于A(yíng)RM與DDS的高精度正弦信號發(fā)生器設計

摘要：隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，現代的電子測量、通信系統越來(lái)越需要有高精度和靈活的正弦信號源進(jìn)行測量和調試。為了滿(mǎn)足外場(chǎng)試驗對便攜式信號發(fā)生器的需要，利用直接數字合成技術(shù)，通過(guò)ARM芯片STM32實(shí)現對DDS芯片ML2035的控制，產(chǎn)生從0～25 kHz的正弦信號。結論表明，使用ARM和ML2035構成的正弦信號源的頻率具有精度高的特點(diǎn)，設計方法對于特定場(chǎng)合的應用具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：正弦信號源;STM32;DDS;ML2035

正弦信號發(fā)生器是一種廣泛應用的信號源。隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，現代的電子測量、通信系統越來(lái)越需要有高精度和靈活的正弦信號發(fā)生器進(jìn)行測量和調試。而ARM芯片在當今由于其高性能、低成本、低功耗，可擴展性強，正被廣泛應用于便捷式儀器的設計。因此，為了滿(mǎn)足對儀器便捷、靈活及待機時(shí)間長(cháng)等的要求，文中利用DDS技術(shù)通過(guò)ARM控制，設計了一種便攜式的正弦信號發(fā)生器，該信號發(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 系統總體設計方案

對系統總體設計方案充分理解的基礎上，按照模塊化的設計思想，合理劃分各個(gè)不同單元待實(shí)現的功能，從而形成了系統總體方案設計框圖，如圖1所示。

此方案的工作原理及各部分的功能如下：

1)電平轉換模塊主要是完成232電平和TTL電平的轉換，以便通過(guò)串口把檢測到的有效值發(fā)送到上位機界面進(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(guò)上位機軟件發(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，控制信號產(chǎn)生芯片產(chǎn)生所需的幅度、頻率信號。

3)按鍵模塊是控制系統中人機交互的一部分，采用的是4個(gè)獨立鍵盤(pán)。操作人員通過(guò)鍵盤(pán)輸入想要產(chǎn)生波形的參數，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(guān)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(guò)ARM處理器進(jìn)行控制產(chǎn)生所需的頻率。

6)信號放大模塊完成對信號的幅度放大，滿(mǎn)足正弦信號幅值實(shí)際應用的需求。

2 系統硬件設計

2.1 處理器電路設計

處理器電路設計包括STM32F103RCT6芯片所用外圍管腳連接、晶振電路設計、去耦電路設計、復位電路設計、JTAG調試電路設計。

2.1.1 晶振電路

晶振是為處理器STM32提供頻率基準的元器件，屬于最小系統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。本系統最小系統晶振電路即時(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共同構成電容三點(diǎn)式振蕩電路。

本系統使用無(wú)源晶振8MHz作為系統的主振蕩器，一個(gè)32.768kHz的晶振作為內置實(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。模擬電源與數字電源去耦電路如圖3所示。

2.1.3 復位電路

復位電路的基本功能是讓系統上電時(shí)提供復位信號，直至電源穩定后，撤銷(xiāo)復位信號。本系統采用簡(jiǎn)單的“RC+按鍵”復位形式，該復位電路可以實(shí)現上電自動(dòng)復位和手動(dòng)按鍵復位。如圖4為復位電路原理圖。

2.1.4 JTAG電路

標準的JTAG接口是4線(xiàn)：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數據輸入和數據輸出線(xiàn)。系統的JTAG除了上面的4 線(xiàn)外，還與處理器連接接了測試系統復位信號線(xiàn)TRST，并且還必須把測試時(shí)鐘返回信號RTCK拉低。系統20針JTAG電路連接如圖5所示。

2.2 DDS模塊電路設計

DDS芯片選擇ML2035，本發(fā)生器輸出的低頻信號主要由STM32通過(guò)SPI1接口來(lái)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(mǎn)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為主機輸入從機輸出端(MISO)，PB4(NSS)為從機選擇端。

2.3 顯示電路設計

在NOKIA5110液晶顯示屏中可以顯示出信號源的頻率和幅值，本系統LCD和STM32之間采用的是SPI串行數據傳輸，采用直接背光的形式，液晶顯示電路的設計如圖7所示。

2.4 按鍵電路設計

采用4個(gè)獨立按鍵，每個(gè)按鍵占用一條I/O線(xiàn)，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，對初始化的頻率值加、減和選擇+5 V、+10 V輸出。

2.5 信號放大電路設計

采用LM321設計信號放大電路。LM321是高增益，內部頻率補償運算放大器。信號放大電路圖如圖9所示。

2.6 平轉換電路的設計

RS-232C電平與單片機的TTL電平不匹配，通訊時(shí)必須對兩種電平進(jìn)行轉換。系統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。電平轉換電路原理圖設計如圖10所示。

3 系統軟件設計

3.1 ML2035驅動(dòng)程序

ML2035驅動(dòng)程序是通過(guò)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(xiě)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，本系統寫(xiě)NOKIA5110顯示程序采用CPIO模擬SPI。

程序代碼編寫(xiě)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位存儲掃描結果，如果對應位上的按鍵被按下，則該位置0，否則，置1;然后處理掃描結果，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 系統調試

由DDS的基本原理可以知道，輸出的正弦信號將有可能出現誤差。但是本系統對精度要求相當高，所以進(jìn)行了信號的精度測試。對于不同的參考時(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，不同輸出信號產(chǎn)生的誤差。

從表1中可以看出，在小于100 Hz，相對誤差較小，基本滿(mǎn)足條件。在100～25 000 Hz，可能因為干擾信號加強，實(shí)驗儀器誤差、人為因素產(chǎn)生的誤差，導致誤差相對較大，但是沒(méi)超過(guò)5 Hz。

5 結論

系統以DDS模塊為研究對象，基于A(yíng)RM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)單方便的正弦信號產(chǎn)生模塊的設計。實(shí)驗結果表明，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芯片應用于信號源設計，具有控制功能強，電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn);ML2035芯片所產(chǎn)生的正弦信號能達到很高的精度，且易于調試，因此它被廣泛用于正弦信號發(fā)生模塊的相關(guān)領(lǐng)域，為設計便攜信號源提供了良好的芯片選擇。