基于STM32 單片機(jī)的信號發(fā)生器設(shè)計(jì)

■ 馬啟晟

引言

信號發(fā)生器又稱為信號源，其工作原理是利用頻率合成技術(shù)提供各種頻率、波形和輸出電平電信號，常用作測試電子設(shè)備的儀器，廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、測控領(lǐng)域，電子以及現(xiàn)代化儀器儀表等領(lǐng)域，在電子參數(shù)的測量過程當(dāng)中，信號發(fā)生器是必不可少的儀器。目前大多數(shù)的波形信號發(fā)生器價(jià)格都較高，體積大，二次開發(fā)復(fù)雜，使用進(jìn)口元器件較多。

單片機(jī)，由CPU、定時(shí)器和多接口等器件組成的自動化單片微型計(jì)算機(jī)。其作為一種微型控制器，主要有體積小、低功耗、控制功能強(qiáng)，功能齊全和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的信號發(fā)生器，用戶可通過觸屏、指令分別設(shè)置中心頻率及輸出功率，控制連續(xù)波、脈沖信號的輸出，操作簡單，價(jià)格低。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于STM32F103 的信號發(fā)生器：

用戶可通過觸摸屏、指令分別控制；

輸出頻率：550M～4.4G；

輸出功率：6dBm～-77dBm；

輸出波形：連續(xù)波、脈沖；

輸出頻率精度：1k；

輸出功率最小分辨率：0.5dBm。

1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)硬件共分為觸屏/指令控制模塊、波形產(chǎn)生模塊、主控模塊、信號衰減模塊、電源模塊五部分，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成

（1）觸屏/指令控制模塊：包括觸摸屏（北京迪文DMG 12700 T050_06WTC）、USB 轉(zhuǎn)TTL 串口模塊。通過觸摸屏/串口向主控模塊發(fā)送指令，控制輸出信號的中心頻率、功率。

（2）波形產(chǎn)生模塊：寬帶鎖相環(huán)頻率源，主芯片ADF4351。產(chǎn)生信號并放大。

（3）主控模塊：單片機(jī)STM32F103 ZET6。對觸摸/指令控制模塊發(fā)送的控制指令進(jìn)行解析，生成相應(yīng)設(shè)置指令發(fā)送至波形產(chǎn)生模塊、信號衰減模塊，產(chǎn)生控制電壓至繼電器控制模塊、波形產(chǎn)生模塊。

（4）信號衰減模塊：包括繼電器控制模塊、兩態(tài)衰減器、程控衰減器、旋鈕可調(diào)衰減器。受主控模塊控制，將信號衰減至相應(yīng)大小。

（5）電源模塊主要功能：提供各模塊工作所需要的電源，15V、12V、5V、±5V。

系統(tǒng)軟件共分為觸屏/指令控制軟件、主控軟件兩部分，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)軟件組成

圖3 觸屏實(shí)物

圖4 STM32F103 ZET6引腳

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 觸屏

采用DMG12720T050_06WTC 作為觸屏，DMG12720T050_06WTC基于T5L ASIC，5.0英寸，1280×720像素點(diǎn)陣、16.7M色、IPS屏、INCELL 電容觸摸屏、T5L2 DGUS Ⅱ系統(tǒng)，TTL 串口的接口方式。通過觸屏，完成對輸出信號的各項(xiàng)控制輸入，主要引腳如表1。

表1 觸屏主要引腳

2.2 主控模塊

采用STM32F103 ZET6 作為主控芯片：完成與觸屏、波形產(chǎn)生模塊、程控衰減器、對外串口的數(shù)據(jù)通信；產(chǎn)生控制信號，實(shí)現(xiàn)對繼電器，波形產(chǎn)生模塊的控制。

主控軟件開發(fā)主要引腳配置如下表2所示。

表2 主控芯片主要引腳配置

2.3 波形產(chǎn)生模塊

采用ADF4351 芯片產(chǎn)生波形，ADF4351 具有一個(gè)集成電壓控制振蕩器（VCO），其基波輸出頻率范圍為2200 MHz 至4400 MHz。此外，利用1/2/4/8/16/32/64 分頻電路，可產(chǎn)生低至35 MHz 的RF 輸出頻率。對要求隔離的應(yīng)用，RF 輸出級可實(shí)現(xiàn)靜音。靜音功能既可通過引腳控制，也可以通過軟件控制。同時(shí)提供輔助RF輸出，不用時(shí)可關(guān)斷，引腳配置如圖5。

圖5 ADF4351芯片引腳配置

RF N 分頻器可以在PLL 反饋路徑中提供一個(gè)分頻比。分頻比由INT、FRAC 和MOD 的值決定，見圖6。利用INT、FRAC和MOD 的值以及R 分頻器，可以產(chǎn)生PFD頻率的分?jǐn)?shù)倍的輸出頻率。

圖6 RF N分頻器

RF VCO 頻率（RFOUT）公式為：

其中：

RFOUT 是電壓控制振蕩器（VCO）的輸出頻率。

INT 是二進(jìn)制16 位計(jì)數(shù)器的預(yù)設(shè)分頻比。

FRAC 是小數(shù)分頻的分子（0至MOD -1）。

MOD 是預(yù)設(shè)的小數(shù)模數(shù)（2至4095）。

PFD 頻率（fPFD）公式為：

其中：

REFIN 是參考輸入頻率。

D是REFIN倍頻器位（0或1）。

R 是二進(jìn)制10 位可編程參考計(jì)數(shù)器的預(yù)設(shè)分頻比（1 至1023）。

T是REFIN 2分頻位（0或1）。

2.4 信號衰減模塊

信號衰減模塊主要由兩態(tài)衰減器、程控衰減器、旋鈕可調(diào)衰減器三部分組成：

（1）通過繼電器控制兩態(tài)衰減器工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)0 或20dBm 衰減。

（2）通過程控衰減器實(shí)現(xiàn)0.25dBm 步進(jìn)的0～90dBm 衰減。

（3）通過旋鈕手動衰減器實(shí)現(xiàn)0.1dBm步進(jìn)的0～1dBm衰減。

將系統(tǒng)輸出端與頻譜儀連接，改變各衰減器衰減值，記錄頻譜儀峰值功率大小，通過這種方式，制作系統(tǒng)不同頻率下的功率碼表。將碼表載入主控程序，主控程序根據(jù)觸屏、外界串口對輸出信號設(shè)置值，查表推算出當(dāng)前各衰減器衰減值并進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而得到符合設(shè)置要求的輸出信號。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 觸屏軟件

觸屏使用DWIN DGUS 進(jìn)行開發(fā)，在DGUS 開發(fā)平臺中是通過直接變量驅(qū)動顯示方式，使用控件進(jìn)行開發(fā)。控件中封裝了定義好的數(shù)據(jù)屬性和方法，對控件進(jìn)行配置和使用即可。DGUS 中已將常見的人機(jī)交互功能所需的控件定義好，所有的顯示和操作都是基于預(yù)先設(shè)置好的變量配置文件來工作。軟線開發(fā)過程如圖7所示：

圖7 觸屏軟件開發(fā)流程圖

觸屏主界面如圖8，操作流程如下：

圖8 觸屏主界面

（1）點(diǎn)擊頻率，在屏幕上設(shè)置中心頻點(diǎn)；

（2）點(diǎn)擊功率，在屏幕上設(shè)置輸出功率；

（3）點(diǎn)擊連續(xù)波/脈沖按鈕，選擇信號波形；

（4）點(diǎn)擊輸出/關(guān)閉，控制信號是否輸出。

3.2 主控軟件

使用Keil 開發(fā)完成，單片機(jī)上電后，配置各串口，初始化觸屏、程控衰減器、波形產(chǎn)生模塊。主要程序流程如下圖9所示：

圖9 主控軟件開發(fā)流程圖

（1）配置管腳，初始化串口，初始化PWM。

（2）發(fā)送串口指令，初始化觸屏、波形產(chǎn)生模塊、程控衰減器；發(fā)送控制指令，初始化繼電器、波形產(chǎn)生模塊相應(yīng)管腳。

（3）接收觸屏/外接串口的設(shè)置指令：計(jì)算功率，設(shè)置兩態(tài)衰減器工作狀態(tài)，查找碼表設(shè)置程控衰減器衰減值；根據(jù)解析出的中心頻率及輸出信號通斷，生成設(shè)置指令，發(fā)送至波形產(chǎn)生模塊寄存器；根據(jù)所選波形，向波形產(chǎn)生模塊相應(yīng)管腳發(fā)送控制指令，設(shè)置輸出波形；向觸屏發(fā)送串口指令，刷新顯示；向外界串口發(fā)送串口指令，進(jìn)行狀態(tài)上報(bào)。

4 系統(tǒng)測試

圖10 為部分測試結(jié)果，系統(tǒng)與頻譜儀通過射頻線纜連接，線路損耗約0.4dBm，通過觸屏/外界串口設(shè)置信號輸出。圖10 中（a）、（b）、（c）、（d）、（e）不同頻率、功率下連續(xù)波測量結(jié)果，（f）為脈沖信號測量結(jié)果。

圖10 測試結(jié)果

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

通過測試，系統(tǒng)頻率550M～4.4G，功 率6dBm～-77dBm，頻率誤差可達(dá)到1k，功率誤差可達(dá)到0.5dBm。波形質(zhì)量較好，可作為調(diào)試設(shè)備使用，指令控制方便，針對不同的接收設(shè)備，可開發(fā)不同上位機(jī)程序。

5 總結(jié)

本文從硬件電路、軟件開發(fā)對系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以STM32F103 核心控制器，對觸屏/對外串口、程控衰減器、ADF4351 芯片、繼電器進(jìn)行控制，最終輸出觸屏/對外串口可控，中心頻率、功率可調(diào)的波形。經(jīng)過測試，系統(tǒng)輸出的波形失真度小、頻率穩(wěn)定度高、可調(diào)頻率范圍大、可調(diào)的功率幅值范圍大等特點(diǎn)，達(dá)到系統(tǒng)預(yù)期效果。