基于ARM與DDS的高精度正弦信號發(fā)生器設計

徐曉霞

（西安工業(yè)大學北方信息工程學院 電子信息系，陜西 西安 710025）

正弦信號發(fā)生器是一種廣泛應用的信號源。隨著電子技術的不斷發(fā)展與進步，現(xiàn)代的電子測量、通信系統(tǒng)越來越需要有高精度和靈活的正弦信號發(fā)生器進行測量和調試。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,為了滿足對儀器便捷﹑靈活及待機時間長等的要求，文中利用DDS技術通過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(tǒng)總體設計方案

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

圖1 正弦信號源總體設計方案圖Fig.1 Design plans of the sinusoidal signal source

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，以便通過串口把檢測到的有效值發(fā)送到上位機界面進行同步顯示。

2)ARM處理器是整個方案的控制核心，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(tǒng)中人機交互的一部分，采用的是4個獨立鍵盤。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，滿足正弦信號幅值實際應用的需求。

2 系統(tǒng)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(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鐘。本系統(tǒng)最小系統(tǒng)晶振電路即時鐘源包括兩部分：

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32.768kHz的晶振作為內置實時時鐘（RTC）振蕩器。晶體振蕩器的連接如圖2所示。

圖2 晶振電路Fig.2 Crystal oscillator circuit

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。

圖3 去耦及隔離電路Fig.3 Decoupling and isolation circuit

2.1.3 復位電路

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

圖4 復位電路Fig.4 Reset circuit

2.1.4 JTAG電路

標準的 JTAG 接口是 4 線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時鐘、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試系統(tǒng)復位信號線TRST，并且還必須把測試時鐘返回信號RTCK拉低。系統(tǒng)20針JTAG電路連接如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)20針JTAG電路連接圖Fig.5 Connection diagram of the system 20－pin JTAG circuit

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可以滿足技術要求，使用的是STM32的SPI1接口。PA5為SPI1的時鐘端(SCK)，PA6 為主機輸入從機輸出端(MISO)，PB4(NSS)為從機選擇端。

圖6 ML2035原理圖Fig.6 Schematic of Ml2035

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(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，液晶顯示電路的設計如圖7所示。

圖7 NOKIA5110液晶顯示屏電路Fig.7 NOKIA5110 LCD display circuit

2.4 按鍵電路設計

采用4個獨立按鍵，每個按鍵占用一條I/O線，按鍵與處理器的PA0～PA3進行連接，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個功能，對初始化的頻率值加、減和選擇+5 V、+10 V輸出。

圖8 按鍵電路Fig.8 Key circuit

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。

圖9 信號放大電路Fig.9 Signal amplifying circuit

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，通訊時必須對兩種電平進行轉換。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進行連接。電平轉換電路原理圖設計如圖10所示。

圖10 電平轉換電路原理圖Fig.10 Schematic of level conversion circuit

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 ML2035驅動程序

ML2035驅動程序是通過處理器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：

u16 SPI1_ReadWrite(u16 writedat)//SPI1讀寫一字數(shù)據(jù){while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE)==RESET);*Loop while DR register in not emplty*/

SPI_I2S_SendData(SPI1,writedat);/*Send byte through the SPI1 peripheral*/}

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。

圖11 LCD顯示程序流程圖Fig.11 Flow chart of LCD display program

程序代碼編寫如下：

LCD_write_byte(0x21,0);//LCD功能設置：芯片活動，水平尋址，使用擴展指令

LCD_write_byte(0xd0,0);//設置VOP值，室溫下的編程范圍為3.00-10.68

LCD_write_byte(0x20,0);//LCD功能設置：芯片活動，水平尋址，使用基本指令

LCD_write_byte(0x0C,0);//設定顯示配置:普通模式set_SCE();}

3.2.2 按鍵掃描程序

按鍵掃描程序依次掃描4個按鍵，使用一個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：

圖12 按鍵程序流程圖Fig.12 Flow chart of key program

uchar KEY_GPIO_Scanning(void)

{int scan_bit=1;//單個按鍵掃描變量int scan_sum=0x0f;//四個按鍵總的情況變量scan_sum低四位的每一位對應一個按鍵

4 系統(tǒng)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(xiàn)誤差。但是本系統(tǒng)對精度要求相當高，所以進行了信號的精度測試[7－8]。對于不同的參考時鐘，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。

表1 誤差分析Tab.1 table of error analysis

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

5 結論

系統(tǒng)以DDS模塊為研究對象，基于ARM處理器、DDS技術、顯示技術、EDA技術等完成高精度、便攜且操作簡單方便的正弦信號產(chǎn)生模塊的設計。實驗結果表明，利用DDS技術，有低成本、低功耗、頻率切換時間短，頻率分辨率高等特點；ARM處理器STM32芯片應用于信號源設計，具有控制功能強，電路簡單等特點；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)生模塊的相關領域，為設計便攜信號源提供了良好的芯片選擇。

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