基于STM32 单片机的信号发生器设计

■ 马启晟

引言

信号发生器又称为信号源，其工作原理是利用频率合成技术提供各种频率、波形和输出电平电信号，常用作测试电子设备的仪器，广泛应用于通信、雷达、测控领域，电子以及现代化仪器仪表等领域，在电子参数的测量过程当中，信号发生器是必不可少的仪器。目前大多数的波形信号发生器价格都较高，体积大，二次开发复杂，使用进口元器件较多。

单片机，由CPU、定时器和多接口等器件组成的自动化单片微型计算机。其作为一种微型控制器，主要有体积小、低功耗、控制功能强，功能齐全和使用方便等优点。本文设计的基于单片机的信号发生器，用户可通过触屏、指令分别设置中心频率及输出功率，控制连续波、脉冲信号的输出，操作简单，价格低。

1 方案设计

1.1 系统功能

设计并实现一个基于STM32F103 的信号发生器：

用户可通过触摸屏、指令分别控制；

输出频率：550M～4.4G；

输出功率：6dBm～-77dBm；

输出波形：连续波、脉冲；

输出频率精度：1k；

输出功率最小分辨率：0.5dBm。

1.2 系统组成

系统硬件共分为触屏/指令控制模块、波形产生模块、主控模块、信号衰减模块、电源模块五部分，如图1 所示。

图1 系统硬件组成

（1）触屏/指令控制模块：包括触摸屏（北京迪文DMG 12700 T050_06WTC）、USB 转TTL 串口模块。通过触摸屏/串口向主控模块发送指令，控制输出信号的中心频率、功率。

（2）波形产生模块：宽带锁相环频率源，主芯片ADF4351。产生信号并放大。

（3）主控模块：单片机STM32F103 ZET6。对触摸/指令控制模块发送的控制指令进行解析，生成相应设置指令发送至波形产生模块、信号衰减模块，产生控制电压至继电器控制模块、波形产生模块。

（4）信号衰减模块：包括继电器控制模块、两态衰减器、程控衰减器、旋钮可调衰减器。受主控模块控制，将信号衰减至相应大小。

（5）电源模块主要功能：提供各模块工作所需要的电源，15V、12V、5V、±5V。

系统软件共分为触屏/指令控制软件、主控软件两部分，如图2 所示。

图2 系统软件组成

图3 触屏实物

图4 STM32F103 ZET6引脚

2 系统硬件设计

2.1 触屏

采用DMG12720T050_06WTC 作为触屏，DMG12720T050_06WTC基于T5L ASIC，5.0英寸，1280×720像素点阵、16.7M色、IPS屏、INCELL 电容触摸屏、T5L2 DGUS Ⅱ系统，TTL 串口的接口方式。通过触屏，完成对输出信号的各项控制输入，主要引脚如表1。

表1 触屏主要引脚

2.2 主控模块

采用STM32F103 ZET6 作为主控芯片：完成与触屏、波形产生模块、程控衰减器、对外串口的数据通信；产生控制信号，实现对继电器，波形产生模块的控制。

主控软件开发主要引脚配置如下表2所示。

表2 主控芯片主要引脚配置

2.3 波形产生模块

采用ADF4351 芯片产生波形，ADF4351 具有一个集成电压控制振荡器（VCO），其基波输出频率范围为2200 MHz 至4400 MHz。此外，利用1/2/4/8/16/32/64 分频电路，可产生低至35 MHz 的RF 输出频率。对要求隔离的应用，RF 输出级可实现静音。静音功能既可通过引脚控制，也可以通过软件控制。同时提供辅助RF输出，不用时可关断，引脚配置如图5。

图5 ADF4351芯片引脚配置

RF N 分频器可以在PLL 反馈路径中提供一个分频比。分频比由INT、FRAC 和MOD 的值决定，见图6。利用INT、FRAC和MOD 的值以及R 分频器，可以产生PFD频率的分数倍的输出频率。

图6 RF N分频器

RF VCO 频率（RFOUT）公式为：

其中：

RFOUT 是电压控制振荡器（VCO）的输出频率。

INT 是二进制16 位计数器的预设分频比。

FRAC 是小数分频的分子（0至MOD -1）。

MOD 是预设的小数模数（2至4095）。

PFD 频率（fPFD）公式为：

其中：

REFIN 是参考输入频率。

D是REFIN倍频器位（0或1）。

R 是二进制10 位可编程参考计数器的预设分频比（1 至1023）。

T是REFIN 2分频位（0或1）。

2.4 信号衰减模块

信号衰减模块主要由两态衰减器、程控衰减器、旋钮可调衰减器三部分组成：

（1）通过继电器控制两态衰减器工作状态，实现0 或20dBm 衰减。

（2）通过程控衰减器实现0.25dBm 步进的0～90dBm 衰减。

（3）通过旋钮手动衰减器实现0.1dBm步进的0～1dBm衰减。

将系统输出端与频谱仪连接，改变各衰减器衰减值，记录频谱仪峰值功率大小，通过这种方式，制作系统不同频率下的功率码表。将码表载入主控程序，主控程序根据触屏、外界串口对输出信号设置值，查表推算出当前各衰减器衰减值并进行设置，进而得到符合设置要求的输出信号。

3 系统软件设计

3.1 触屏软件

触屏使用DWIN DGUS 进行开发，在DGUS 开发平台中是通过直接变量驱动显示方式，使用控件进行开发。控件中封装了定义好的数据属性和方法，对控件进行配置和使用即可。DGUS 中已将常见的人机交互功能所需的控件定义好，所有的显示和操作都是基于预先设置好的变量配置文件来工作。软线开发过程如图7所示：

图7 触屏软件开发流程图

触屏主界面如图8，操作流程如下：

图8 触屏主界面

（1）点击频率，在屏幕上设置中心频点；

（2）点击功率，在屏幕上设置输出功率；

（3）点击连续波/脉冲按钮，选择信号波形；

（4）点击输出/关闭，控制信号是否输出。

3.2 主控软件

使用Keil 开发完成，单片机上电后，配置各串口，初始化触屏、程控衰减器、波形产生模块。主要程序流程如下图9所示：

图9 主控软件开发流程图

（1）配置管脚，初始化串口，初始化PWM。

（2）发送串口指令，初始化触屏、波形产生模块、程控衰减器；发送控制指令，初始化继电器、波形产生模块相应管脚。

（3）接收触屏/外接串口的设置指令：计算功率，设置两态衰减器工作状态，查找码表设置程控衰减器衰减值；根据解析出的中心频率及输出信号通断，生成设置指令，发送至波形产生模块寄存器；根据所选波形，向波形产生模块相应管脚发送控制指令，设置输出波形；向触屏发送串口指令，刷新显示；向外界串口发送串口指令，进行状态上报。

4 系统测试

图10 为部分测试结果，系统与频谱仪通过射频线缆连接，线路损耗约0.4dBm，通过触屏/外界串口设置信号输出。图10 中（a）、（b）、（c）、（d）、（e）不同频率、功率下连续波测量结果，（f）为脉冲信号测量结果。

图10 测试结果

表3 实验数据表

通过测试，系统频率550M～4.4G，功 率6dBm～-77dBm，频率误差可达到1k，功率误差可达到0.5dBm。波形质量较好，可作为调试设备使用，指令控制方便，针对不同的接收设备，可开发不同上位机程序。

5 总结

本文从硬件电路、软件开发对系统进行了设计，以STM32F103 核心控制器，对触屏/对外串口、程控衰减器、ADF4351 芯片、继电器进行控制，最终输出触屏/对外串口可控，中心频率、功率可调的波形。经过测试，系统输出的波形失真度小、频率稳定度高、可调频率范围大、可调的功率幅值范围大等特点，达到系统预期效果。