浅析基于单片机的信号发生器技术

宫玉坤，柏 宇，张润泽

（南京邮电大学通信与信息工程学院，南京 210046）

1 引言

信号源是电子信息专业中，应用最广最重要的信号测试设备之一其功能是制造被测电路需要的测试信号。信号源可以分为四大类，正弦波信号发生器、函数信号发生器、矩形脉冲信号发生器和随机信号发生器。信号发生器有着源远流长的研究历史，在20年代，电子设备仪器刚被开发出来时，信号发生器便一同产生。通信和雷达技术飞速发展之后，在四十年代标准信号发生器应时代需要被发明出来，被用于测试各种接收机。这一跨越式发展实现了信号发生器从定性测试到定量测试的质变型飞跃。三角函数的方程式可以用来表述各种钵形曲线，所以信号发生器目前在科技和现实生产领域的发展前景很，在实验操作中，更是必备的测量工具。近年来通信、电子信息产业的发展，所需要信号的频率和精度都大大提高，对于信号发生器设计制造技术提出了更高的要求。现如今大、中、专院校的教学用信号发生器往往笨重、老旧并且数量有限。实验器材室的限时开放也难以满足学生随时随地学习的实际需求，为教学和学习带来了较大不便。因此基于单片机技术的便携式信号发生器进入人们的视野。针对这些问题，本文将深入分析基于STM32F103单片机技术的便携式信号发生器的优缺点。

2 基于单片机技术的便携式信号发生器的优缺点

2.1 基于单片机技术的便携式信号发生器的优点

（1）系统结构简单

整个系统只需要由单片机核心板外接一块电容式液晶触摸屏，DAC数模转换器和 DMA控制器均可以采用STM32F103片内资源，大大简化了系统结构复杂度，降低了开发难度和成本。

（2）硬件成本低

目前一块STM32F103芯片的价格在10元左右，市场上的最小系统板的价格在40元左右，加上液晶触摸屏，总成本可以控制在200元以内，对于基于单片机技术的便携式信号发生器的研发和设计都是十分有利的。

（3）输出信号种类丰富多样

基于STM32单片机的信号发生器输出信号的种类和频率都可以根据现实需要设计的比较高，并且可以实现。这由STM32F1芯片的硬件资源所掌控。本次设计采用的STM32F103芯片的速度能达到72MHz，再加上采用DMA内存直接存取访问的方式，输出信号由数模转换器的转换速度决定。自带的数模转换器输出1MHz以下的信号是完全没有问题。

2.2 基于单片机技术的便携式信号发生器的缺点

（1）输出信号的频率难以提升到很高

如今，市场上的各类信号发生器设备种类繁多，令人目不暇接。但信号发生器作为一种电子测量仪器而言，其最重要的性能评价指标无外乎输出信号的频率、精度、稳定度和种类。基于单片机的信号发生器面临着一些共同的问题，其主要体现在单片机处理和运算速度不够快、数模转换器（DAC）转换速度不够快、输出信号的频率难以做的很高。

（2）输出信号的幅度范围有限

输出小信号和大信号的能力是评价信号发生器的一个重要标准。由于单片机片内DAC采用3.3V或者5.5V电压作为参考电压，因此输出信号的最高幅度不能超过此范围。同时，单片机片内DAC的位数只有14位，输出信号的精度由此决定。所以单片机输出小信号的能力十分有限，在输出信号较小时，噪声较大，甚至对输出信号产生较大的干扰，影响正常使用。

3 结束语

基于单片机的信号发生器具有两面性。其优点十分明显，即低成本、低功耗、输出信号类型丰富、可以由学生自己编程、便携性好等。但同时，受单片机硬件条件限制，基于单片机的信号发生器输出信号的频率高低完全取决于单片机主频高低以及所使用的DAC转换速度快慢。因此，充分利用单片机设计编程上的灵活性，采用速度快、DAC精度高、转换速度快的单片机来设计实现信号发生器，扬长避短，不断创新，才能基于单片机技术设计实现有较强实用性和较高性价比的信号发生器。

[1] 刘火良，杨森.STM32库开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2018.

[2] 马洪连，李大奎主编，嵌入式系统开发与应用实例.北京：电子工业出版社，2015.

[3] 胡成华，刘传瑞，郭文生编著，嵌入式网络编程：串口通信、工业总线、传感器网络应用开发.北京：电子工业出版社，2012.01.

[4] 意法半体（中国）投资有限公司.STM32F10xxx中文参考手册[EB/OL].2017.