山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院本科設(shè)計.引言1.1研究背景與意義信號源是一種應(yīng)用廣泛的電子儀器，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求產(chǎn)生不同的波形信號，并實時改變頻率、幅度和相位。信號源也稱為信號發(fā)生器。根據(jù)產(chǎn)生的信號類型，信號發(fā)生器可分為函數(shù)信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器等。如今，信號發(fā)生器廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，最常見的本地時間是測量無線電臺和對講機的靈敏度。脈沖信號發(fā)生器可用于醫(yī)療領(lǐng)域；噪聲信號發(fā)生器可以產(chǎn)生隨機信號，測量網(wǎng)絡(luò)中輸出信號和輸入信號之間的互相關(guān)函數(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)沖激響應(yīng)函數(shù)；方波信號發(fā)生器可形成一次信號，正弦信號發(fā)生器可用于實驗室學(xué)生的實驗。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時代，數(shù)字信號發(fā)生器已逐漸取代傳統(tǒng)的模擬信號發(fā)生器。近年來，隨著對數(shù)電學(xué)研究的深入，DDS產(chǎn)生的最高頻率幾乎達到了鎖相頻率合成器的水平，該技術(shù)主要應(yīng)用于雷達、導(dǎo)航、遙控遙測、通信、電子對抗等工業(yè)領(lǐng)域。集成電路中經(jīng)常使用信號源產(chǎn)生的模擬信號來代替前端集成電路中的實際工作信號，為后端集成電路設(shè)計提供理想的信號。可根據(jù)不同的應(yīng)用目的設(shè)置不同的信號源特征參數(shù)類型。在不同的應(yīng)用場合，它可以方便地模擬不同信號類型的模擬信號，特別適用于電子產(chǎn)品開發(fā)和集成電路設(shè)計實驗。在集成電路的設(shè)計和測試中，我們不僅可以準確地評估這些信號如何處理集成電路的基本功能和電路特性，還可以通過電路測量、電路輸入比較和輸出電路信號分析來評估它們是否能滿足電路設(shè)計的要求。數(shù)字信號源的用途主要包括產(chǎn)生各種數(shù)字和模擬調(diào)制信號等數(shù)字通信領(lǐng)域。在生活中，我發(fā)現(xiàn)大多數(shù)信號發(fā)生器都是按鈕式的。雖然增加了步進功能，但這種切換頻率的方法仍然很麻煩，浪費時間。因此，希望在此基礎(chǔ)上增加語音識別功能，可以輸入所需信號的頻率，并直接廣播所需頻率。至于語音識別模塊，市場上的廠商都是為智能家居設(shè)計的，這與我目前需要的語音識別模塊并不完全一致，所以我們需要研究和改進現(xiàn)有的語音識別模塊。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，DDS的性能不斷提高。1.2數(shù)字信號源的發(fā)展歷史20世紀90年代以來，直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)逐漸發(fā)展成為一種專用的DDS芯片。由專用DDS芯片和微處理器構(gòu)成的信號源，不僅可以產(chǎn)生正弦波、三角波、方波等常規(guī)波形，還可以產(chǎn)生帶寬大、頻率精度高的任意波形。21世紀。21世紀，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路的研究也不再過時。嵌入式處理器正變得越來越成熟。大多數(shù)大型可編程數(shù)字邏輯器件和嵌入式處理器都可以集成到可編程邏輯器件（PLD）中，實現(xiàn)一個完整的數(shù)字處理系統(tǒng)和信號源。當技術(shù)成熟時，程序的信號源產(chǎn)生的信號的幅度、頻率等參數(shù)都受到控制，無需增加產(chǎn)生矢量信號的硬件成本，因此，可以通過修改軟件程序?qū)崿F(xiàn)矢量信號的合成，而不增加硬件成本。國外現(xiàn)有的激光時鐘信號發(fā)生器是一種用于控制脈沖激光束產(chǎn)生的激光時鐘發(fā)生器。這種控制信號源通常用于一些大型數(shù)字手表產(chǎn)品中。所有控制都與控制器生成的數(shù)字時鐘控制信號同步，以方便各種算術(shù)運算。家庭中的許多數(shù)字通信產(chǎn)品必須具有時鐘的自動控制，否則會導(dǎo)致數(shù)字設(shè)備故障。自動時鐘控制可以精確地處理每個數(shù)字信號，以確保數(shù)字信號的傳輸沒有錯誤。用于聲音應(yīng)用的雙通道DDS信號發(fā)生器采用直接數(shù)字合成原理，由單片機軟件實現(xiàn)。雙通道sigma-delta-DA轉(zhuǎn)換器用于廣播模擬信號。該信號源可以產(chǎn)生兩個不同頻率、可調(diào)倒數(shù)切換的諧波信號，提供自動頻率調(diào)諧和信號突發(fā)模式，并通過音頻分析儀測量樣本的參數(shù)。該發(fā)生器可以在實驗室中使用，所設(shè)計的硬件可以作為開發(fā)信號合成算法的平臺。通用低頻發(fā)生器可以解決電療中徑向力的形成問題。該發(fā)生器的理論基礎(chǔ)是電流是一個具有正弦波波前和指數(shù)下降的脈沖序列。這種電流的形成是通過調(diào)節(jié)通用發(fā)電機的諧波信號來調(diào)節(jié)的，每一步都有一個特殊的轉(zhuǎn)換功能，通過對流變載流器和調(diào)制信號的形式和數(shù)學(xué)模型的分析，可以確定用于調(diào)制器的控制信號的參數(shù)，以及過渡部分上變換函數(shù)的表達式，假設(shè)具有相似頻譜的動態(tài)電流具有生物醫(yī)學(xué)等效性，并通過給定的動態(tài)電流的影響來增加必要的治療效果。近年來，我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展相對較快，電子測量儀器的性能有了很大提高，體積縮小，可以在多個場景中使用，因此這類設(shè)備可以在我國得到廣泛應(yīng)用。目前，許多工業(yè)應(yīng)用都需要低頻數(shù)字信號源，從工業(yè)基站或現(xiàn)場卡車設(shè)計到相關(guān)部件的開發(fā)和設(shè)計、測試和量產(chǎn)、EMC或現(xiàn)場測試，以準確測試整個系統(tǒng)的頻率特性，重點必須放在確保系統(tǒng)輸出的振幅和頻率特性應(yīng)平坦，輸出波形小，失真低。此外，高頻信號源和功能波形信號源也是常見的信號源。高頻信號源通常需要一個稱為LC型的調(diào)諧頻率振蕩器，頻率信號可以從調(diào)諧振蕩電容器的刻度中準確讀取。其主要研究目的之一是作為測量不同信號接收機的主要技術(shù)指標。函數(shù)波形信號源的頻率范圍非常大，可以從幾毫微微赫茲甚至十幾微赫的一階極低濾波頻率擴展到數(shù)萬兆赫。它們不僅用于工業(yè)測試、電子通信、儀表和自動控制測量系統(tǒng)，還廣泛應(yīng)用于其他非工業(yè)電工測量技術(shù)。掃頻發(fā)生器的工作頻率可分為無線掃頻器、電子掃頻器和電子頻率控制。除了連續(xù)的頻率波動外，儀器還可以通過鍵盤遙控、門控制或無線觸發(fā)進行操作。對電子電路中的某些參數(shù)進行測量，如掃描電壓表、測量電路中的噪聲等。，必須提供滿足規(guī)定技術(shù)條件的電信號，以模擬實際工作中被測設(shè)備的勵磁信號。可編程電視測試信號發(fā)生器：用于電視信號測試，視頻信號輸出0～1V，精度±1%。1.3DDS技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀隨著超大規(guī)模集成電路合成技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字頻率合成技術(shù)也取得了飛躍性的發(fā)展。它在相對帶寬、變頻時間、相位連續(xù)性、正交輸出、高分辨率和集成度等性能指標上遠遠超過了傳統(tǒng)技術(shù)。自20世紀80年代末以來，DDS的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，并對其輸出頻率、假相位噪聲和功耗進行了分析。值得注意的是，與以前的產(chǎn)品相比，集成等性能指標有了顯著提高，并出現(xiàn)了一批優(yōu)秀的產(chǎn)品。國外著名的DDS芯片主要有AD9850、AD9851、Q2220等，AD9850采用CMOS工藝，工作電壓約3.3V。這是典型的低功率機組，功率約為155mw，工作溫度為0-50℃。它此外，該系統(tǒng)以累加器為主要單元，其主要功能是對輸入信號進行累加。由于AD9851芯片的串行接口控制功能操作簡單，因此可以使用8位并行或多個串行控制端口，通過輸入數(shù)據(jù)頻率和信號相位直接控制數(shù)據(jù)。近年來，直接數(shù)字頻率合成技術(shù)已應(yīng)用于電子產(chǎn)品的各個領(lǐng)域。隨著無線接入技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代軍事、國防和航天技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進步，頻率合成器的發(fā)展受到世界各國的高度重視。所有這些社會需求以及微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了頻率合成器技術(shù)的發(fā)展。2.方案論證本設(shè)計使用的模塊主要包括主控制器模塊、系統(tǒng)穩(wěn)壓器模塊、DDS穩(wěn)壓器模塊、語音識別模塊、DDS模塊、串口模塊、顯示模塊和頻率控制模塊。如圖1所示：系統(tǒng)穩(wěn)壓模塊系統(tǒng)穩(wěn)壓模塊DDS穩(wěn)壓模塊顯示模塊主控制器模塊頻率控制模塊DDS模塊串口模塊圖1系統(tǒng)原理圖2.1主控制器方案一：本設(shè)計采用SPCE061A單片機作為主控制器。凌陽公司生產(chǎn)的16位MCU有其優(yōu)缺點。與其他MCU相比，它具有許多優(yōu)點，功耗低，因此也提高了該MCU的抗干擾能力，使其信號不易受到自身和外界的干擾；與其他類型單片機的下限電壓3~6V相比，該單片機作為芯片使用的電源下限為1~2V，下限電壓很低。可以看出，它對張力的需求較低，而市場需求較高。低噪聲、高可靠性意味著它能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，目的是提高單片機的抗電磁干擾能力。當然，大容量的量化也是優(yōu)勢之一。除了上述優(yōu)點外，它還有很多缺點：體積小、引腳大，決定了串行端口的數(shù)量少，而且其相對老式的處理速度太慢，無法滿足本設(shè)計的速度要求。方案二：本設(shè)計以AT89S52單片機為主控制器，完成本設(shè)計的數(shù)據(jù)處理、DDS頻率輸出控制、鍵盤掃描和LCD顯示控制。AT89S52單片機具有許多優(yōu)點。它具有低功耗和高性能的使用。它可以快速完成大多數(shù)指令。它包含8K閃存，可直接在系統(tǒng)上編程。它使用起來非常簡單。然而，這種設(shè)計需要大量的數(shù)據(jù)處理，而且在設(shè)計之初使用了液晶顯示器，需要記錄大量的ROM資源。這樣一來，芯片的內(nèi)部資源就不夠了，所以需要擴展RAM和ROM。電路復(fù)雜，不易實現(xiàn)。本設(shè)計還使用A/D轉(zhuǎn)換器來采集FM信號，因此更難連接外部A/D轉(zhuǎn)換芯片。因此，該芯片不滿足串口和速度的要求。方案三：本設(shè)計采用STM32F103RCT6微處理器作為主控制器。該芯片不僅綜合了上述兩種芯片的優(yōu)點，而且解決了引腳不足、運行速度慢的缺點。此外，它還有兩個時鐘電路,高頻和低頻可以應(yīng)用于大多數(shù)電路。它包括溫度傳感器、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。它的溫度傳感器可以測量處理器工作時的溫度。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以直接進行頻率采樣，無需外部擴展。A/D轉(zhuǎn)換器減少了串行端口的使用，提高了管腳的利用率，從而最大限度地利用資源。最后，豐富的通信接口為實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信提供了前提，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。綜上所述，本設(shè)計采用方案三，以STM32F103RCT6為主控芯片實現(xiàn)。2.2信號發(fā)生源方案一：本設(shè)計可采用反饋LC振蕩原理，已知振蕩器數(shù)量較多?？僧a(chǎn)生正弦信號的有電容式、電感式、混合式等，該方案簡單，但頻率精度調(diào)節(jié)不好且不穩(wěn)定。為了產(chǎn)生三角波和方波，需要過濾。該電路將在原有的基礎(chǔ)上增加難度，電路將變得越來越復(fù)雜，并將繼續(xù)影響輸出信號的穩(wěn)定性。頻率精度仍然不容易調(diào)整，因此不適合這種設(shè)計。方案二：本次設(shè)計可采用DDS技術(shù)的基本原理，采用采樣方式。此圖表應(yīng)測試所需信號，并在量化后將其存儲在內(nèi)存中。該內(nèi)存可用作后續(xù)使用的數(shù)據(jù)表。可以直接在數(shù)據(jù)表中找到所需頻率的信號，然后通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量，合成存儲在數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)。該方案產(chǎn)生的信號相對穩(wěn)定，但在發(fā)射高頻信號時，信號容易失真，電路復(fù)雜，不適合本設(shè)計。方案三：廣告主生產(chǎn)的AD9851集成芯片可用于本設(shè)計。它集成了高速高性能的雙正交DAC、反辛格濾波器、雙48位頻率寄存器、超高速比較等功能，能產(chǎn)生頻率和相位非常穩(wěn)定的正弦或余弦信號，并能實現(xiàn)全數(shù)字控制的頻率合成。由于DDS集成芯片能夠滿足要求，易于實現(xiàn)程控調(diào)節(jié)，節(jié)省了硬件電路，因此本設(shè)計采用了第三種方案。2.3系統(tǒng)穩(wěn)壓模塊在本次設(shè)計中，MIC5219可以作為本文設(shè)計的系統(tǒng)穩(wěn)壓器模塊，穩(wěn)壓器模塊具有自身的特點：高峰值電流輸出性能和高效率的加速穩(wěn)壓器。它也有自己的工作要求：當最大標稱值表明超過閾值可能損壞設(shè)備時，必須在恒溫和低工作周期脈沖下測試其優(yōu)雅的調(diào)整。電壓穩(wěn)定模塊可以通過CMOS或TTL兼容信號操作或關(guān)閉。在關(guān)閉模式下，功耗幾乎為零，泄漏接地電流最小化，電池壽命相應(yīng)提高。不僅如此，它還具有反向電流保護、電流限制、過熱停機和低噪聲性能。如有必要，它可以提供固定的輸出電壓，并具有節(jié)省空間的MSOP封裝。它們大多用于筆記本電腦、掌上電腦、手機、電池供電設(shè)備和高效線性電源。2.4DDS穩(wěn)壓模塊DDS模塊中的芯片主要由三部分組成：頻率控制寄存器、相位累加器和正弦波計算器。頻率控制寄存器可以根據(jù)需要加載和保存用戶輸入的頻率控制代碼。相位累加器根據(jù)每個時鐘周期的DDS頻率控制代碼對相位進行累加，以獲得相位值。正弦波計算相位值的數(shù)字正弦波的振幅。DDS芯片通常發(fā)出數(shù)字正弦波，因此需要高速D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器才能獲得可用的模擬頻率信號。一些DDS芯片還具有內(nèi)置的振幅、頻率和均衡調(diào)制功能以及D/A轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計采用ams117線性穩(wěn)壓芯片，穩(wěn)壓模塊的輸入電壓限值為15V。將22uF電容器連接到輸出端可以確保ams117線性調(diào)節(jié)器模塊的穩(wěn)定性。一般來說，線性調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性會隨著輸出電流的增加而降低。該穩(wěn)壓器是一個低泄漏和電壓損失的調(diào)節(jié)周期，可以將5V電壓降低到穩(wěn)定的3.3V。其調(diào)壓管由PNP驅(qū)動的NPN管組成。絕對最大額定值為20V，儲存溫度為-65~150℃，靜態(tài)電流為10mA。其固定電壓為1.2V，輸出電壓精度為2%。具有片上過熱切斷電路過載、過熱保護和功率限制功能,可以減少根信號對信號的干擾。2.5頻率控制模塊方案一：鎖相環(huán)和振蕩器的方案有很多，包括三個鎖相環(huán)和鎖相環(huán)。它們的三個部分有各自的功能：相位檢測器類似于相位比較器。鑒相器輸出電壓與兩個信號的相位有關(guān)，其輸出為兩個信號的相位差；此外，環(huán)路濾波器與高頻濾波器相對應(yīng)，可以濾除信號中的高頻成分和噪聲，以確保環(huán)路的性能要求；最后，壓控振蕩器的輸出電壓由環(huán)路濾波器控制，使其輸出信號與輸入信號的相位保持一定的比例，達到鎖相的目的。為了實現(xiàn)鎖相頻率調(diào)制，除了低通濾波器通帶中調(diào)制信號的頻譜外，壓控振蕩器的中心頻率位移還應(yīng)鎖定在具有高穩(wěn)定性的晶體頻率，以便振蕩器能夠隨著調(diào)制信號的變化產(chǎn)生大位移。不難發(fā)現(xiàn)，該方案的中心頻率和頻率位移相對準確直觀，但電路復(fù)雜，不使用。方案二：本設(shè)計可以使用stm32f103rct6芯片來調(diào)整DDS集成芯片的頻率。該芯片包含一個12位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以測試信號，然后對其進行離散。從電路中采集數(shù)據(jù)后，通過計算得到相鄰兩個采樣點的位移，然后在單片微機內(nèi)根據(jù)計算出的位移控制DDS的輸出頻率，實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)功能，其硬件只能借助彈性鍵來實現(xiàn)。如上所述，本設(shè)計將采用方案二中STM32的內(nèi)置調(diào)整。2.6串口模塊方案一：本設(shè)計可以使用CH340串口芯片。串口芯片可以在5V或3.3V電壓下工作。當工作電壓為5V時，該芯片的VCC引腳除輸入5V電壓外，V3引腳還應(yīng)外接0.1UF功率去耦電容；當工作電壓為3.3V時，芯片的V3引腳必須與VCC引腳連接，同時向它們輸入3.3V電壓。此時，連接到芯片的所有電路的電壓不得超過3.3V。CH340芯片的第一個引腳用于輸入異步復(fù)位信號。只有在高電平時才能復(fù)位，否則芯片將延遲20毫秒后才能進入工作模式。CH340芯片可以實現(xiàn)USB到串口的功能。在串口模式下，可以實現(xiàn)計算機擴展異步串口。該芯片還可用于與主控制器通信。雖然這種串行端口模式有很多功能，但此處使用的電路相對復(fù)雜，因此不使用。方案二：本設(shè)計采用CP2102串口芯片。它集成ROM，可用于存儲有關(guān)產(chǎn)品的許多信息，如USB供應(yīng)商ID、產(chǎn)品ID、電源參數(shù)、設(shè)備版本號、產(chǎn)品說明和設(shè)備制造商定義的周期序列號。CP2102高度集成，帶有USB發(fā)射器、異步串行數(shù)據(jù)總線和內(nèi)置USB20全速功能控制器、振動放大器等。其一些工作原理類似于USBUART。USB端口可以通過使用虛擬COM端口驅(qū)動程序進行擴展。該芯片性能特別好，在本實驗中電路非常簡單，易于使用。根據(jù)以上描述，方案二中的CP2102將用作本設(shè)計中的串行端口模塊芯片。2.7顯示模塊方案一：本設(shè)計采用LCD1602顯示屏。LCD1602顯示器是一種工業(yè)字符液晶，可同時顯示32個字符。它利用液晶的物理特性和電壓來控制要顯示的區(qū)域，然后打開電源來顯示我們想要顯示的一些圖形。它由幾個點陣字符位組成，每行有一個特定的范圍，可以起到行距和字符間距的作用。顯示模塊是一個全屏設(shè)備。為了執(zhí)行每條指令，需要檢查模塊的記錄標志是否處于低電平。如果它處于低電平，則表示它不忙，那么指令不會失敗，可以繼續(xù)下一步。LCD1602存儲了多種點陣字符圖形，基本上包含了計算機鍵盤上的所有字符。每個字符都有相應(yīng)的固定代碼。但是屏幕不能顯示中文，所以它不能直觀地顯示我想要顯示的數(shù)據(jù)。方案二：本設(shè)計采用LCD12864顯示屏。LCD1284屏幕是帶有中文字體的屏幕。它還可以通過LCD1602等點陣顯示各種圖形。LCD12864可以通過LCD1602顯示，也可以顯示漢字、圖形等。至于軟件，屏幕在打字前必須掌握漢字造型的方法。顯示器包含許多功能，如指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、忙標志、顯示控制觸發(fā)器、XY地址計數(shù)器、顯示數(shù)據(jù)存儲器等。此外，它還有一個顯著的特點，即使用的電壓低，驅(qū)動程序代碼也非常簡單，易于操作，非常適合這種設(shè)計。方案三：本設(shè)計可采用LED數(shù)碼管顯示。LED數(shù)碼管有兩種驅(qū)動方式，即靜態(tài)顯示驅(qū)動和動態(tài)顯示驅(qū)動。對于靜態(tài)驅(qū)動，也可以稱為直流驅(qū)動?？梢岳斫?，每段數(shù)碼管都可以由單片機的I/O端口供電。靜態(tài)驅(qū)動編程特別簡單，屏幕亮度高，但它特別占用I/O端口。當使用多組數(shù)碼管時，I/O端口會有一些空位；至于動態(tài)顯示驅(qū)動程序，它將連接數(shù)碼管八個屏幕層的同名端。每根數(shù)碼管都增加了一個位選通控制電路，由其獨立的I/O線控制。在重新編程期間，將根據(jù)單個芯片微型計算機的位選通控制顯示不同的符號，但前提是我們需要打開數(shù)碼管的選通控制。這種顯示方式笨重，不能顯示漢字，觀測數(shù)據(jù)不直觀，不適合本設(shè)計。綜上所述，采用方案二LCD12864作為顯示模塊。3.硬件模塊詳解3.1STM32F103RCT6簡介3.1.1綜述STM32F103RCT6是基于Cortex-M3架構(gòu)核心的32位處理器產(chǎn)品。它內(nèi)置128KB閃存、12位AD轉(zhuǎn)換、、20Kram、三個UART通信端口和其他可用資源。時鐘頻率最高可達72mhz。3.1.2結(jié)構(gòu)概覽STM32F103RCT6內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示：圖3內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.1.3芯片引腳排列說明STM32F103RCT6采用LQFP64封裝，共64個引腳。布置如下圖3和圖4所示：圖3芯片原理圖1圖4芯片原理圖2STM32F103RCT6芯片封裝圖如圖5所示：圖5芯片封裝圖3.2信號發(fā)生模塊3.2.1綜述AD9851是一種新型的全數(shù)字可編程頻率合成器，它最終可以將高速D/A轉(zhuǎn)換器和DDS技術(shù)結(jié)合起來。它需要精確而適度的控制來產(chǎn)生頻率、相位和幅度可編程的純正弦信號，以便用作信號源。當系統(tǒng)時鐘達到300MHz時，其輸出信號的頻率分辨率基本不變或為0.001Hz。由于其特殊的電路結(jié)構(gòu)，其最大輸出頻率可達150MHz，輸出頻率調(diào)整速度可達每秒100m新頻率。AD9851芯片在信號幅度管理中具有12位數(shù)字乘法器，并提供12位輸出幅度調(diào)整速度，因此其幅度可以有效調(diào)整。AD9851還包括一個時鐘倍頻電路，它可以使用一個相對較低的外部時鐘頻率來實現(xiàn)一個相對較高的系統(tǒng)時鐘電路，降低了芯片對外部時鐘信號頻率的要求。3.2.2特點和優(yōu)勢AD9851的電路結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生同步方形輸出信號，其最大頻率可達150MHz，并可進行數(shù)字設(shè)置。在設(shè)計之初，該芯片集成了兩個高速、高性能的正交D/A轉(zhuǎn)換器，通過數(shù)字編程可以發(fā)出兩個合成信號。該芯片的DDS核心具有48位的頻率分辨率，可以發(fā)出17位的相位截斷，以確保良好的無偽動態(tài)范圍指數(shù)。在配置高速比較器時，時鐘發(fā)生器可以用12位D/A輸出的方波代替。它還具有開關(guān)形成鍵控功能，兩個12位數(shù)字方形可編程幅度控制器和可控方波輸出。AD9851芯片有兩個14相寄存器和一個用于BPSK操作的引腳。它有一個正弦波，最大輸出振幅約為500mv，方波約為4.5V；方波不能調(diào)節(jié)振幅，三角波不僅可以調(diào)節(jié)振幅，而且隨著頻率的升高，最大輸出電壓也會降低。該模塊的驅(qū)動電流約為600mA，最小階躍頻率為1Hz。低頻外部時鐘也可以用來產(chǎn)生300MHz系統(tǒng)時鐘。3.2.3芯片引腳排列及功能AD9851工作在串行I/O方式時，芯片使用的控制管腳的描述如下表所示表1芯片管腳及功能管腳編號管腳名稱功能描述17A2IORESET：控制口復(fù)位18A1SDO：串行輸出19A0SDIO：串口輸入/輸出20I/OUDCLOCKUpdateClock：控制信息刷新信號21WRBSCLK：串行時鐘22RDBCS：片選信號71MRESETAD9851復(fù)位3.3正弦調(diào)制信號產(chǎn)生1K正弦調(diào)制信號的產(chǎn)生采用DDS技術(shù)。DDS技術(shù)采用全數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)頻率合成與其他通用頻率合成技術(shù)相比，DDS技術(shù)具有一些突出的優(yōu)勢和獨特的性能：DDS在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時間、頻率分辨率等多項性能指標上遠遠超過傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)的水平，相位連續(xù)性、正交輸出和積分。DDS工作原理框圖如下圖6所示：頻率預(yù)置電路加法器頻率預(yù)置電路加法器波形存儲器D/A轉(zhuǎn)低通濾波器KN位S（n）S（t）合成信號輸出如果想控制輸出信號的頻率，預(yù)先設(shè)定頻率并調(diào)整電路。此處所需的預(yù)設(shè)值可以稱為步長，可以用作數(shù)據(jù)累加器。使用電池，在256/K時鐘周期后返回原始狀態(tài)。一個周期后，相應(yīng)的波形查找表將在一個周期后返回其原始位置，因此DDS將發(fā)出一個周期的波形數(shù)據(jù)，周期為T=（256/k）Tc，頻率為F=（k/256）FC。相應(yīng)的數(shù)據(jù)S（n）（振幅代碼）通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成階梯波S（T），信號通過低通濾波器，但信號變得平滑，然后發(fā)出所需的波形。合成信號波形的形狀取決于波形中存儲的振幅代碼。因此，DDS可以生成任何波形。該設(shè)計要求正弦失真更小，1KHz調(diào)制的穩(wěn)定性更好。DDS的失真與系統(tǒng)中存儲的深度密切相關(guān)，同時也受到D/A轉(zhuǎn)換器本身噪聲的影響。如果q作為統(tǒng)一量化范圍，近似數(shù)學(xué)比率為： 由DDS設(shè)計的電路產(chǎn)生的波形中含有大量高次諧波，因此必須通過低通濾波器才能使波形更平滑，從而降低失真。因此，使用巴特沃斯的二階低通濾波器可以使信號在所需通帶內(nèi)的波動最小化。巴特沃斯電路如圖7所示。圖7二階巴特沃斯濾波器3.4三角波調(diào)制信號的產(chǎn)生DDS技術(shù)的核心類似于計數(shù)器，即相位累加器。當時鐘信號到來時，相位累加器將增加字長的相位增量，并且氣味增量可由頻率控制字確定。信號波形的數(shù)據(jù)表包含在中間周期內(nèi)生成的信號的振幅和相位信息。讀取相位累加器輸出的相位信號值的振幅數(shù)據(jù)，并使用DAC將讀取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。相位累加器循環(huán)疊加，這將保持輸出信號相位的連續(xù)性。相位累加器執(zhí)行線性相位累加器。每次填充時，它都會溢出數(shù)據(jù)。這個溢出是輸出信號的頻率。頻率越高，相位累加器的溢出率越高，頻率控制字的香味增加越大。如果頻率控制字的相位增量為K，參考時鐘頻率為，且相位累加器中的位數(shù)為N，則DDS系統(tǒng)輸出信號的頻率為：輸出信號的頻率分辨率為：3.5LCD顯示器3.5.1綜述LCD12864是一款具有國家標準一級和二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊，因為它是多通道并行和多通道串行的，具有多種接口模式；Lcd1128是一種點陣液晶顯示器，也是一種中文顯示×64全點陣液晶顯示器，行/列驅(qū)動。LCD12864可以通過LCD1602顯示，也可以顯示漢字、圖形等。至于軟件，屏幕在打字前必須掌握漢字造型的方法。該模塊具有不同的界面模式，操作說明簡單方便，可以形成中文人機交互界面。與同類液晶顯示模塊相比，由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案在硬件和軟件上都要簡單得多，因此非常適合本設(shè)計。3.5.2控制器接口信號說明RS，R/W的配合選擇決定控制界面的4種模式如表2所示：表2功能管腳表RSR/W功能說明LLMPU寫指令到指令暫存器LH讀出忙標志（BF）及地址計數(shù)器（AC）的狀態(tài)HLMPU寫入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)暫存器（DR）HHMPU從數(shù)據(jù)暫存器（DR）中讀出數(shù)據(jù)表3E信號E狀態(tài)執(zhí)行動作結(jié)果高低I/O緩沖DR配合/W進行寫數(shù)據(jù)或指令高DRI/O緩沖配合R進行讀數(shù)據(jù)或指令低/低高無動作表2和表3顯示，BF提供內(nèi)部工作條件；當BF=1時，模塊不接受外部數(shù)據(jù)和指令，現(xiàn)有指令將被直接刪除。但是，當BF=0時，模塊可以隨時接受并執(zhí)行外部數(shù)據(jù)和指令。地址計數(shù)器因指令記錄而改變。讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)時，地址計數(shù)器的值將自動增加1。當RS為“0”且R/W為“1”時，累積值將加載到串行端口。此外，模塊中指針的閃爍位置也可以由地址計數(shù)器的值確定。4.硬件電路設(shè)計硬件電路可以使用Ad軟件或Protel99SE軟件，但ad軟件不僅包含了ProtelDXP和Protel99SE的優(yōu)點和功能，還對其進行了改進，增加了許多高端功能。廣告軟件擴展了傳統(tǒng)的板級設(shè)計接口，集成了SOCC設(shè)計功能和FPGA設(shè)計功能，使工程師總裁能夠?qū)CB、FPGA設(shè)計和嵌入式設(shè)計集成到系統(tǒng)設(shè)計中。這可以減少使用多個軟件的麻煩，并在AD軟件上執(zhí)行要執(zhí)行的步驟。因此，AD軟件占用的內(nèi)存空間較大，對計算機配置和系統(tǒng)要求較高。在設(shè)計該硬件電路時，主要包括串口電路、顯示電路、穩(wěn)壓電路、STM32主控電路、按鍵電路和AD9851電路。4.1STM32主控電路及液晶顯示電路復(fù)位電路及晶振電路，如圖8圖8復(fù)位及晶振電路PD2作為液晶背光控制端口。具體電路如下圖9所示：圖9主控LCD12864電路如圖10所示：圖10液晶4.2系統(tǒng)電源模塊及DDS電源本系統(tǒng)需要采用MIC5219作為穩(wěn)壓芯片如圖11：圖11系統(tǒng)穩(wěn)壓源DDS模塊需要采用AM1117線性穩(wěn)壓芯片如圖12：圖12DDS穩(wěn)壓電源4.3AD9851信號源模塊有三種信號輸出，即方波、正弦波和三角波。SMA連接器用于輸出接口，最終通過N個連接器傳輸屏蔽線連接到示波器，如圖13所示：圖13AD9851信號源4.4控制模塊本設(shè)計采用5個獨立的按鍵作為選擇控制模塊，用于調(diào)節(jié)信號的頻率，如圖14：圖14按鍵4.5串口模塊本設(shè)計采用CP2102作為TTL電平轉(zhuǎn)換芯片用于串口測試，如圖15：圖15串口電路系統(tǒng)供電采用USB供電方式，如圖16：圖16USB接口5.系統(tǒng)軟件設(shè)計及調(diào)試5.1Keil軟件的介紹Keil5是美國公司生產(chǎn)的ARM系列嵌入式芯片，是一個友好、功能強大的C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。C語言易學(xué)易用，體現(xiàn)在它在維護性、結(jié)構(gòu)、功能和可讀性方面的明顯優(yōu)勢。Keil軟件通過一個集成開發(fā)環(huán)境，將C編譯器、庫管理、插件、宏組裝等功能結(jié)合起來，完整地開發(fā)了其方案。Keil的優(yōu)勢在于，它不僅非常適合用C語言編程，而且當你對C不太了解時，也可以用匯編語言進行編輯。只因為它強大的軟件模擬和故障排除工具以及方便易用的集成環(huán)境，它提高了你的工作質(zhì)量和效率。Keil5軟件提供強大的集成開發(fā)和故障排除工具以及庫功能。keil5生成的目標代碼的效率非常高。大多數(shù)語句生成的代碼非常緊湊，易于理解。在開發(fā)大型軟件時，它可以更好地反映其高級語言的質(zhì)量。5.2系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件主要包括各種信號的設(shè)置和控制，具有友好的界面和操作菜單。5.2.1軟件流程圖軟件流程如下圖17所示：開始開始初始化頻率設(shè)計DDS轉(zhuǎn)換波形輸出圖17系統(tǒng)軟件流程圖5.2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計原理如果我們想要設(shè)計軟件，我們需要將其與硬件電路結(jié)合起來進行分析。根據(jù)設(shè)計的硬件電路，我們可以估計剩下的部分需要軟件設(shè)計。通過這種方式，我們可以使用簡單的代碼使電路更加完整，因為使用代碼生成數(shù)字信號可以有效地降低電路的復(fù)雜性。在軟件設(shè)計中，我們需要對要設(shè)計的軟件進行總體規(guī)劃和布局。軟件可分為執(zhí)行軟件和監(jiān)控軟件。監(jiān)控軟件主要協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊與操作員之間的關(guān)系。執(zhí)行軟件可以完成一些基本功能，如計算、測量、打印、輸出控制和通信。這兩種軟件執(zhí)行軟件與硬件電路密切相關(guān)，它們的設(shè)計側(cè)重于算法和效率。在整個軟件規(guī)劃過程中，需要進行軟件分析。目前，每個模塊都必須逐個構(gòu)建，每個模塊都必須定義。目前，每個模塊使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型也必須一起規(guī)劃。系統(tǒng)軟件也可分為前臺程序和后臺程序。前臺程序是任何具有高實時性的內(nèi)容，如中斷和定時系統(tǒng)。后臺應(yīng)用程序是一些不需要高實時性能的內(nèi)容，例如要調(diào)用的主應(yīng)用程序和子例程。因此，顯示程序、打印程序和監(jiān)控程序通常放在后臺程序中。您還可以將所有程序放在前臺程序上，以節(jié)省系統(tǒng)電源和抗干擾。5.3信號產(chǎn)生的程序AD9851通過不同的定時控制產(chǎn)生不同頻率的信號，通過程序控制產(chǎn)生不同波形的數(shù)字信號，然后產(chǎn)生所需頻率的方波和正弦波。正弦波經(jīng)過電路濾波，形成三角波。產(chǎn)生正弦波的程序如下：ucharcount;ucharAdress;Adress=0x04;Freq_convert(Freq); for(count=6;count>0;) { AD9851_WR_Byte(Adress++,FreqWord[--count]);} AD9851_WR_Byte(0x21,Shape>>8); AD9851_WR_Byte(0x22,(uchar)(Shape&0xff)); AD9851_WR_Byte(0x23,Shape>>8); AD9851_WR_Byte(0x24,(uchar)(Shape&0xff)); AD9851_UDCLK=1;AD9851_UDCLK=0;5.4測試儀器CA1022示波器為用戶提供了單一清晰的前面板，具有優(yōu)異的技術(shù)指標和多功能特性。CA1022示波器的通道刻度和位置旋鈕與傳統(tǒng)儀器一致。示波器還具有自動掃描功能。當您按下自動鍵時，可以立即獲得適合波形顯示的檔位。CA1022示波器正面有按鈕和功能鍵，屏幕右側(cè)有5個菜單鍵。這些案例可以設(shè)置當前菜單的選項；右邊的鍵是功能鍵。這些鍵可以下載特定的功能程序或其他功能菜單。CA1022雙通道數(shù)字示波器的前面板結(jié)構(gòu)如圖18所示：圖18前面板控制及功能5.5指標測試5.5.1正弦波指標測試以1Hz為測試點測試結(jié)果如圖19：圖191Hz正弦波以1KHz為測試點測試結(jié)果如圖20：圖201KHz正弦波以1MHz為測試點測試結(jié)果如圖21：圖211MHz正弦波以10MHz為測試點測試結(jié)果如圖22：圖2210MHz正弦波5.5.2方波指標測試以1KHz為測試點測試結(jié)果如圖23：圖231KHz方波以10MHz為測試點測試結(jié)果如圖24：圖2410MHz方波5.6測試結(jié)果經(jīng)過測量、觀察和比較，電路板溫度的升高會導(dǎo)致輸出