基于ARM與DDS的高精度正弦信號發生器設計

徐曉霞

（西安工業大學北方信息工程學院 電子信息系，陜西 西安 710025）

正弦信號發生器是一種廣泛應用的信號源。隨著電子技術的不斷發展與進步，現代的電子測量、通信系統越來越需要有高精度和靈活的正弦信號發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生器,該信號發生器的頻率范圍在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，合理劃分各個不同單元待實現的功能，從而形成了系統總體方案設計框圖，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，控制信號產生芯片產生所需的幅度、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個獨立鍵盤。操作人員通過鍵盤輸入想要產生波形的參數，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鐘。本系統最小系統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。

本系統使用無源晶振8MHz作為系統的主振蕩器，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。

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上電時提供復位信號，直至電源穩定后，撤銷復位信號。本系統采用簡單的“RC＋按鍵”復位形式，該復位電路可以實現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、數據輸入和數據輸出線。系統的JTAG除了上面的4線外，還與處理器連接接了測試系統復位信號線TRST，并且還必須把測試時鐘返回信號RTCK拉低。系統20針JTAG電路連接如圖5所示。

圖5 系統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，本發生器輸出的低頻信號主要由STM32通過SPI1接口來控制ML2035產生。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。

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讀寫一字數據{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，所以進行了信號的精度測試[7－8]。對于不同的參考時鐘，將產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、人為因素產生的誤差，導致誤差相對較大，但是沒超過 5 Hz。

5 結論

系統以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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