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        基于STM32 單片機的信號發(fā)生器設計

        2022-07-06 08:39:18馬啟晟
        中國軍轉民 2022年11期
        關鍵詞:衰減器觸屏程控

        ■ 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提供各種頻率、波形和輸出電平電信號,常用作測試電子設備的儀器,廣泛應用于通信、雷達、測控領域,電子以及現(xiàn)代化儀器儀表等領域,在電子參數(shù)的測量過程當中,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)生器價格都較高,體積大,二次開發(fā)復雜,使用進口元器件較多。

        單片機,由CPU、定時器和多接口等器件組成的自動化單片微型計算機。其作為一種微型控制器,主要有體積小、低功耗、控制功能強,功能齊全和使用方便等優(yōu)點。本文設計的基于單片機的信號發(fā)生器,用戶可通過觸屏、指令分別設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,價格低。

        1 方案設計

        1.1 系統(tǒng)功能

        設計并實現(xiàn)一個基于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STM32F103 ZET6。對觸摸/指令控制模塊發(fā)送的控制指令進行解析,生成相應設置指令發(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、旋鈕可調衰減器。受主控模塊控制,將信號衰減至相應大小。

        (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 觸屏實物

        圖4 STM32F103 ZET6引腳

        2 系統(tǒng)硬件設計

        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。對要求隔離的應用,RF 輸出級可實現(xiàn)靜音。靜音功能既可通過引腳控制,也可以通過軟件控制。同時提供輔助RF輸出,不用時可關斷,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頻率的分數(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 是二進制16 位計數(shù)器的預設分頻比。

        FRAC 是小數(shù)分頻的分子(0至MOD -1)。

        MOD 是預設的小數(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 是二進制10 位可編程參考計數(shù)器的預設分頻比(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),實現(xiàn)0 或20dBm 衰減。

        (2)通過程控衰減器實現(xiàn)0.25dBm 步進的0~90dBm 衰減。

        (3)通過旋鈕手動衰減器實現(xiàn)0.1dBm步進的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置值,查表推算出當前各衰減器衰減值并進行設置,進而得到符合設置要求的輸出信號。

        3 系統(tǒng)軟件設計

        3.1 觸屏軟件

        觸屏使用DWIN DGUS 進行開發(fā),在DGUS 開發(fā)平臺中是通過直接變量驅動顯示方式,使用控件進行開發(fā)。控件中封裝了定義好的數(shù)據(jù)屬性和方法,對控件進行配置和使用即可。DGUS 中已將常見的人機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先設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)點擊頻率,在屏幕上設置中心頻點;

        (2)點擊功率,在屏幕上設置輸出功率;

        (3)點擊連續(xù)波/脈沖按鈕,選擇信號波形;

        (4)點擊輸出/關閉,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)生模塊相應管腳。

        (3)接收觸屏/外接串口的設置指令:計算功率,設置兩態(tài)衰減器工作狀態(tài),查找碼表設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)生模塊相應管腳發(fā)送控制指令,設置輸出波形;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,進行狀態(tài)上報。

        4 系統(tǒng)測試

        圖10 為部分測試結果,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)波測量結果,(f)為脈沖信號測量結果。

        圖10 測試結果

        表3 實驗數(shù)據(jù)表

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

        5 總結

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

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