基于STM32F103ZET6的实用信号源的设计和制作

2022-07-18顾浚哲杨旻荟田澄睿

电子测试 2022年12期

顾浚哲，杨旻荟，田澄睿

（南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏南京，210044）

0 引言

随着信号处理领域的发展，信号发生器的开发越来越受到研究人员的重视。由于各种波形曲线均可以用三角函数方程式表示，信号发生器在生产实践和科研领域中有着广泛的应用。例如以信号发生器所产生的正弦波对仪器的性能进行测量，以及作为载波对信号进行调制。信号发生器在电子领域内有着重要的地位。本文以DDS芯片AD9850作为核心器件，STM32F103ZET6作为主控芯片，设计了一种成本低廉的实用信号源。本文的技术方案能够为信号源的应用场景提供有效参考。

1 系统整体方案设计

1.1 总体思路

通过AD9850产生相位互补的正弦波，单片机STM32F103ZET6控制频率，经过AD8021减法电路结合AD603程控放大，放大后的信号经有效值检测模块由单片机ADC测量并换算出电压值。

1.2 系统结构

基于以上分析，将电路系统与单片机控制结合，形成人机交互界面。系统框图如图1所示。

图1 系统总框架图

1.3 抗干扰措施

模块之间用电压跟随器实现分立，减少模块之间参数的影响。

尽可能增大接地面积，尽可能保证共地，实现高频信号的稳定传输。

2 系统硬件电路设计

2.1 信号发生器部分

本实用信号源的信号发生模块采用直接数字频率合成（DDS）方案。DDS核心部分由相位累加器和正弦波查询表组成。DDS内核在内部逻辑单元的控制下，不断进行高速数模转换，在输出端得到波形信号。DDS技术具有输出频率相对较宽，频率转换时间短，频率分辨率高，全数字化结构便于集成，以及相关波形参数（频率、相位、幅度）均可实现程控的优点。若相位累加器的位数为N，改变频率控制字K或参考时钟fr，即可改变输出正弦波的频率f0，具体表达式如下：

f0=K×fr/2N

用集成DDS芯片AD9850输出波形频率幅值稳定，频率范围可满足设计需求，且其可通过STM32单片机进行程控，便捷高效可移植｡

2.2 放大电路部分

DDS信号发生模块输出的正弦波幅值在1V左右，为满足设计要求输出电压峰峰值1～8V可调，需在后续加入放大电路。此放大电路需能够承受设计要求的信号频率20Hz～3MHz，且有足够的驱动能力以驱动50Ω负载。

基于上述要求，本实用信号源使用AD8021减法电路相减去除直流分量，经分压电路分压后输入AD603进行放大。DDS产生的相位互补的正弦波，经减法电路后可从理论上完全消除直流分量的影响。且减法电路可同时使信号获得两倍放大，一定程度上减轻后续放大模块的放大压力。此外，AD603是一款低噪声、电压控制型放大器，90MHz带宽时增益范围为-11dB至+31dB，9MHz带宽时增益范围为+9dB至+51dB。

因此，采用AD8021减法电路结合AD603程控放大无论是从电压调节范围还是增益精度都可满足设计要求。AD603的电路原理图如图2所示，AD8021的电路原理图如图3所示。

图2 AD603电路原理图

图3 AD8021电路原理图

2.3 有效值检测部分

有效值检测模块AD637是一款完整的高精度、均方根直流转换器，可计算任何复杂交流（或交流加直流）的真均方根值、均方值或绝对值，并提供等效直流输出电压。AD637拥有很高性能，此模块可承受输入电压60dB范围以内，输入频率范围0～8MHz。

因此，本实用信号源的有效值检测部分采用有效值检测模块AD637。AD637的电路原理图如图4所示。

图4 AD637电路原理图

3 系统软件设计分析

3.1 峰峰值计算部分

输出正弦波的峰峰值是一个关于频率和控制电压的函数，即：

fout=f(h,v)

表1 部分打点数据

3.2 系统软件实现方法

STM32F103ZET6单片机完成对DDS模块AD9850的控制和人机交互。整个系统以单片机外拓的矩阵键盘控制信号输入，两个按键分别控制输入信号的频率与幅值，一个按键控制增减的步长，两个按键分别控制增减。随后通过DA控制程控放大模块AD603使输出信号在0～8V之间。最后通过数据拟合的方式计算低频段和高频段的峰峰值。