低频程控信号发生器的设计与实现
低频程控信号发生器的设计与实现电气与自动化工程[20200121205101]
摘 要
信号发生器作为一种重要的测量仪器，在当今社会的各个领域得到了广泛的应用。随着科技的快速发展，为了满足各种各样的测量要求，信号发生器逐步走上了数字化、程控化和多元化，信号的精度与性价比都得到了很大的提升。
本课题设计了一种基于STM32单片机的低频程控信号发生器。其采用STM32为控制器，结合其自带的模数转换器（DAC），通过软件编程，实现多种信号的输出。系统以旋转编码器为输入设备，OLED为显示器，INA129芯片构成的仪用放大器作为信号处理电路，最终实现了多种输出信号的程控调节与智能显示。
本设计作为一种低频信号发生器，可以程控输出频率为10~10000Hz、幅值大小为0~5V的正弦波、三角波、矩形波和正负阶跃信号。本系统的电路简洁大方、操作简单、信号稳定、精度较高，具有广泛的应用前景。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:信号发生器STM32旋转编码器OLEDINA129
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 系统的设计目标 2
1.3 论文章节安排 3
2. 信号发生器的硬件设计 4
2.1 系统整体方案设计 4
2.2 电源电路设计 4
2.2.1 5V电源设计 4
2.2.2 3.3V电源设计 5
2.2.3 电源指示灯与共地设计 6
2.3 单片机最小系统设计 6
2.3.1 STM32简介 6
2.3.2 时钟电路设计 7
2.3.3 复位电路设计 8
2.3.4 电源滤波电路设计 9
2.3.5 启动配置电路设计 9
2.4 输入模块硬件设计 10
2.4.1 信号参数设置电路设计 10
2.4.2 阶跃信号触发电路设计 12
2.5 信号处理电路设计 13
2.6 显示电路设计 15
3. 信号发生器的软件设计 17
3.1 系统整体软件设计 17
3.2 单片机初始化软件设计 18
3.3 输入模块软件设计 19
3.3.1 按键扫描设计 19
3.3.2 旋转编码器与阶跃触发按键设计 20
3.4原始信号产生的软件设计 22
3.4.1 信号数据的生成方式设计 23
3.4.2 频率数据处理设计 24
3.4.3 幅值数据处理设计 24
3.4.4 占空比数据处理设计 25
3.5 显示模块软件设计 26
4. 信号发生器的调试与分析 28
4.1 系统调试工具 28
4.2 模块调试结果与分析 28
4.2.1 电源模块调试与分析 28
4.2.2 仪用放大器模块调试与分析 28
4.2.3 信号频率调试与分析 29
4.2.4 信号幅值调试与分析 31
4.2.5 矩形波信号占空比调试与分析 32
4.2.6 阶跃信号调试与分析 33
5. 总结与展望 36
5.1 总结 36
5.2 展望 36
参考文献 37
附录 38
附录一 信号发生器的硬件实物图 38
附录二 信号发生器的硬件原理图 39
附录三 信号发生器的核心代码 40
致谢 44
1. 绪论
1.1 课题的研究背景与意义
信号发生器又称信号源或振荡器，是一种历史悠久的测量仪器，早在20世纪20年代电子设备刚出现时它就诞生了。随着科技的快速发展，到21世纪的今天，信号发生器经历了无数次的更新换代。体积由大逐渐变得小巧，硬件电路由复杂逐渐变得简单化，功耗逐渐降低，性价比逐渐提高，信号输出越来越稳定、精确且多样化，逐步走上数字化与程控化。
目前，市场上有着各种各样的信号发生器，按照输出信号的频率范围进行划分，则信号发生器的分类如表1-1所示：
表1-1 信号发生器分类
信号发生器分类 输出信号频率范围
超低频信号发生器 0.0001Hz~1000Hz
低频信号发生器 1Hz~1MHz
视频信号发生器 20Hz~10MHz
高频信号发生器 100KHz~30MHz
甚高频信号发生器 30MHz~300MHz
超高频信号发生器 300MHz以上
至今为止，制作信号发生器的常用方法主要有以下几种：
（1）采用分立元件搭建信号发生器。该方案的主要特点是输出的信号精度低，信号频率范围窄、信号可控性差、信号稳定性差和电路庞大等。
（2）采用专用信号发生器芯片（如MAX038等）结合单片机制作信号发生器。该方案的主要特点是输出信号种类较少、信号精度不高、信号难以程控、信号稳定性较差和成本较低等。
（3）采用单片机作为控制器，结合DAC模块以及外部电路构成信号发生器。该方案的主要特点是输出信号的精度与频宽受到单片机和外围电路的自身性能限制，信号响应速率受单片机执行效率影响，但是其制作成本较低、程控性强且电路简单。
（4）采用DDS芯片结合单片机组成信号发生器。该方案的主要特点是输出信号可程控、信号频带宽、信号精度高和信号稳定性强等，但是其制作成本高，DDS芯片占用控制器较多的IO口资源。
（5）采用虚拟仪器技术制作信号发生器。该方案的主要特点是输出信号质量高、种类多和易程控等。但是由于其设备极其昂贵，因而制作成本极高。
如今，随着数字化智能化社会的不断推进，单片机行业得到了很好的发展。单片机的片上资源越来越丰富，性能越来越稳定，CPU执行效率越来越高，价格也越来越便宜，这使得单片的应用越来越广泛，使用单片机自带资源制作简易信号发生器已经成为可能。
本课题是基于STM32单片机，利用其自带的DAC模块功能，设计的一款高精度高性能的低频程控信号发生器，输出信号精确而稳定，可以很好地满足低频领域里对信号发生器性能的要求。
1.2 系统的设计目标
本课题以±15V直流电作为系统供电电源，以STM32单片机为控制器，结合信号处理电路模块，实现低频程控信号发生器的制作。其主要设计目标如下所示：
（1）多种类型信号的产生设计
本设计所产生的信号包括正弦波信号、矩形波（包括方波）信号、三角波信号和正负阶跃信号。
（2）信号频率实时程控调节的设计
本课题以旋转编码器为信号频率调节手段，结合软件控制，可以实现信号频率的数字化调节。频率调节范围是10Hz~10KHz，同时通过旋转编码器自带的按键功能，可实现调节倍率在10Hz、100HZ和1000Hz之间自由切换。
（3）信号幅值实时程控调节的设计
本课题以旋转编码器为信号幅值调节手段，结合软件控制，可以实现信号幅值的数字化调节。幅值调节范围是0~5V，同时通过旋转编码器自带的按键功能，可实现调节倍率在0.1V和1V之间自由切换。
（4）矩形波信号占空比实时程控调节的设计
本课题以旋转编码器为矩形波信号占空比调节手段，结合软件控制，可以实现矩形波信号占空比的数字化调节，调节范围是0%~100%。
（5）信号相关参数实时显示的设计
本课题以OLED128*64液晶为显示器，显示内容包括波形种类、频率大小、幅值大小、调节倍率以及占空比等信号参数信息。
本课题所设计的低频程控信号发生器最终达到硬件电路简洁大方，信号调节方便、可操作性强、信号转换速度快、稳定性好、精确度高和失真小等目标。
摘 要
信号发生器作为一种重要的测量仪器，在当今社会的各个领域得到了广泛的应用。随着科技的快速发展，为了满足各种各样的测量要求，信号发生器逐步走上了数字化、程控化和多元化，信号的精度与性价比都得到了很大的提升。
本课题设计了一种基于STM32单片机的低频程控信号发生器。其采用STM32为控制器，结合其自带的模数转换器（DAC），通过软件编程，实现多种信号的输出。系统以旋转编码器为输入设备，OLED为显示器，INA129芯片构成的仪用放大器作为信号处理电路，最终实现了多种输出信号的程控调节与智能显示。
本设计作为一种低频信号发生器，可以程控输出频率为10~10000Hz、幅值大小为0~5V的正弦波、三角波、矩形波和正负阶跃信号。本系统的电路简洁大方、操作简单、信号稳定、精度较高，具有广泛的应用前景。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:信号发生器STM32旋转编码器OLEDINA129
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 系统的设计目标 2
1.3 论文章节安排 3
2. 信号发生器的硬件设计 4
2.1 系统整体方案设计 4
2.2 电源电路设计 4
2.2.1 5V电源设计 4
2.2.2 3.3V电源设计 5
2.2.3 电源指示灯与共地设计 6
2.3 单片机最小系统设计 6
2.3.1 STM32简介 6
2.3.2 时钟电路设计 7
2.3.3 复位电路设计 8
2.3.4 电源滤波电路设计 9
2.3.5 启动配置电路设计 9
2.4 输入模块硬件设计 10
2.4.1 信号参数设置电路设计 10
2.4.2 阶跃信号触发电路设计 12
2.5 信号处理电路设计 13
2.6 显示电路设计 15
3. 信号发生器的软件设计 17
3.1 系统整体软件设计 17
3.2 单片机初始化软件设计 18
3.3 输入模块软件设计 19
3.3.1 按键扫描设计 19
3.3.2 旋转编码器与阶跃触发按键设计 20
3.4原始信号产生的软件设计 22
3.4.1 信号数据的生成方式设计 23
3.4.2 频率数据处理设计 24
3.4.3 幅值数据处理设计 24
3.4.4 占空比数据处理设计 25
3.5 显示模块软件设计 26
4. 信号发生器的调试与分析 28
4.1 系统调试工具 28
4.2 模块调试结果与分析 28
4.2.1 电源模块调试与分析 28
4.2.2 仪用放大器模块调试与分析 28
4.2.3 信号频率调试与分析 29
4.2.4 信号幅值调试与分析 31
4.2.5 矩形波信号占空比调试与分析 32
4.2.6 阶跃信号调试与分析 33
5. 总结与展望 36
5.1 总结 36
5.2 展望 36
参考文献 37
附录 38
附录一 信号发生器的硬件实物图 38
附录二 信号发生器的硬件原理图 39
附录三 信号发生器的核心代码 40
致谢 44
1. 绪论
1.1 课题的研究背景与意义
信号发生器又称信号源或振荡器，是一种历史悠久的测量仪器，早在20世纪20年代电子设备刚出现时它就诞生了。随着科技的快速发展，到21世纪的今天，信号发生器经历了无数次的更新换代。体积由大逐渐变得小巧，硬件电路由复杂逐渐变得简单化，功耗逐渐降低，性价比逐渐提高，信号输出越来越稳定、精确且多样化，逐步走上数字化与程控化。
目前，市场上有着各种各样的信号发生器，按照输出信号的频率范围进行划分，则信号发生器的分类如表1-1所示：
表1-1 信号发生器分类
信号发生器分类 输出信号频率范围
超低频信号发生器 0.0001Hz~1000Hz
低频信号发生器 1Hz~1MHz
视频信号发生器 20Hz~10MHz
高频信号发生器 100KHz~30MHz
甚高频信号发生器 30MHz~300MHz
超高频信号发生器 300MHz以上
至今为止，制作信号发生器的常用方法主要有以下几种：
（1）采用分立元件搭建信号发生器。该方案的主要特点是输出的信号精度低，信号频率范围窄、信号可控性差、信号稳定性差和电路庞大等。
（2）采用专用信号发生器芯片（如MAX038等）结合单片机制作信号发生器。该方案的主要特点是输出信号种类较少、信号精度不高、信号难以程控、信号稳定性较差和成本较低等。
（3）采用单片机作为控制器，结合DAC模块以及外部电路构成信号发生器。该方案的主要特点是输出信号的精度与频宽受到单片机和外围电路的自身性能限制，信号响应速率受单片机执行效率影响，但是其制作成本较低、程控性强且电路简单。
（4）采用DDS芯片结合单片机组成信号发生器。该方案的主要特点是输出信号可程控、信号频带宽、信号精度高和信号稳定性强等，但是其制作成本高，DDS芯片占用控制器较多的IO口资源。
（5）采用虚拟仪器技术制作信号发生器。该方案的主要特点是输出信号质量高、种类多和易程控等。但是由于其设备极其昂贵，因而制作成本极高。
如今，随着数字化智能化社会的不断推进，单片机行业得到了很好的发展。单片机的片上资源越来越丰富，性能越来越稳定，CPU执行效率越来越高，价格也越来越便宜，这使得单片的应用越来越广泛，使用单片机自带资源制作简易信号发生器已经成为可能。
本课题是基于STM32单片机，利用其自带的DAC模块功能，设计的一款高精度高性能的低频程控信号发生器，输出信号精确而稳定，可以很好地满足低频领域里对信号发生器性能的要求。
1.2 系统的设计目标
本课题以±15V直流电作为系统供电电源，以STM32单片机为控制器，结合信号处理电路模块，实现低频程控信号发生器的制作。其主要设计目标如下所示：
（1）多种类型信号的产生设计
本设计所产生的信号包括正弦波信号、矩形波（包括方波）信号、三角波信号和正负阶跃信号。
（2）信号频率实时程控调节的设计
本课题以旋转编码器为信号频率调节手段，结合软件控制，可以实现信号频率的数字化调节。频率调节范围是10Hz~10KHz，同时通过旋转编码器自带的按键功能，可实现调节倍率在10Hz、100HZ和1000Hz之间自由切换。
（3）信号幅值实时程控调节的设计
本课题以旋转编码器为信号幅值调节手段，结合软件控制，可以实现信号幅值的数字化调节。幅值调节范围是0~5V，同时通过旋转编码器自带的按键功能，可实现调节倍率在0.1V和1V之间自由切换。
（4）矩形波信号占空比实时程控调节的设计
本课题以旋转编码器为矩形波信号占空比调节手段，结合软件控制，可以实现矩形波信号占空比的数字化调节，调节范围是0%~100%。
（5）信号相关参数实时显示的设计
本课题以OLED128*64液晶为显示器，显示内容包括波形种类、频率大小、幅值大小、调节倍率以及占空比等信号参数信息。
本课题所设计的低频程控信号发生器最终达到硬件电路简洁大方，信号调节方便、可操作性强、信号转换速度快、稳定性好、精确度高和失真小等目标。
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