基于STM32的高频函数信号发生器 - 嘉立创EDA开源硬件平台

# 模块实物细节展示：            # 设计过程记录： ## 设计自定义波的算法分析，及Matlab数据校验  ## 测试AD9910模块波形波形输出功能    ## 系统总体搭建功能验证：   # 在此期间穿插设计了系统底板，在功能文件目录下--工程名称为底板PCB. ## 焊接底板     # 焊接组装为基本流程，此处不进行多余赘述，这是作为电子工程师基本的技能。 # **--------------------------分割线----------------------------** # 本项目主要实现的基本功能： ## 本项目是基于DDS-AD9910模块设计的高频函数信号发生器，系统采用STM32系列单片机为主控。2.8寸OLED显示屏用于显示波形主要参数。通过拨轮按键与EC11旋转编码器相结合，设定波形输出参数，可实现：高频正弦波：1Hz-420MHz输出，波形频率、幅度、相位程控可调，可输出低频10Hz-244kHz范围内的方波、三角波、锯齿波等常见波形，波形频率、幅度可程控。可输出SinC或其他自定义定制波形，实现任意波形输出，波形参数可通过Matlab软件生成出，波形最高输出频率244kHz，最大输出幅度3.2Vpp。 ## 主要功能及参数说明： ### 1.输出波形频率、幅度、相位可调的正弦波，频率：1Hz~420MHz范围内可调.幅度：0~760mVpp内可调（随着波形频率增加不同呈现衰减）. ### 2.输出频率、占空比可调的方波，频率3.7Hz-244.4kHz.范围内可调. ### 3.输出频率、宽度可调的三角波（三角斩波）.频率3.7Hz-244.4kHz.范围内可调. ### 4.输出频率、斜率可调的锯齿波（斜率为50%时，为三角波）.频率3.7Hz-244.4kHz.范围内可调. ### 5.（其他波形输出展示）输出COS波.频率3.7Hz-244.4kHz.范围内可调. ### 6.（其他波形输出展示）输出SinC波.频率3.7Hz-244.4kHz.范围内可调. ### 7.扫频功能： ### ①.自动快速扫频，低频段（便于观察）.扫频范围频率等参数可调. ### ②.自动快速扫频，高频段（便于观察）.扫频范围频率等参数可调. ### ③.线控扫频，扫频范围频率等参数可调. # 操作界面UI展示： ### 正弦波UI简易界面展示：  #### 操作说明：在该界面下可对正弦波波形的频率进行调节，调节步进最小1Hz，同时在该界面下，可对波形幅度进行调节，最大幅度为满量程输出，约700mVpp. ## ②输出方波：频率、占空比可调. ### 方波UI简易界面展示：  #### 操作说明：在该界面下，可对方便频率和占空比进行调节，频率最大244KHz，最小3.7Hz，步进与寄存器数据相关，具体请参考数据手册，次数仅以16步进值为例。方波波形的占空比步进频率为10%，最大90%，最小10%. ## ③输出三角波：频率、宽度可调. ### 三角波UI简易界面展示：  #### 操作说明：在该界面下，可条调节波形的频率与宽度比，频率与方波频率范围相同。三角波的波形宽度比为10%--100%，步进为10%. ## ④输出锯齿波：频率、斜率可调. ### 锯齿波UI简易界面展示：  #### 操作说明：在该界面下，与方波正弦波调节频率相同，可调节波形的斜率比，调节范围10%-100%可调，步进10%，其中当斜率比为50%时，波形与三角波宽度比为%100时，波形相同. ## ⑤输出SinC信号波：频率可调. ### SinC波UI简易界面展示：  #### 操作说明：在该界面下可调节波形的频率，频率范围与前一说明波形频率相同。 ## ⑥输出Cos三角函数波形：频率可调. ### COS波UI简易界面展示：  #### 操作说明： 在该界面下可调节波形的频率，频率范围与前一说明波形频率相同。 ## ⑦扫频功能：扫频参数可调. ### 扫频模式UI简易界面展示：  #### 操作说明：在该模式下可调节波形的上下限频率，频率范围1Hz-420MHz。 ## ⑦数字谐波高速扫频功能：扫频参数可调. ### 操作说明：快速扫频模式UI简易界面展示：  #### 该模式进展示扫频波形，不展示调节扫频频率范围。（示波器太辣鸡，波形扫出来也看不清楚 o.0！）. ### \*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\* ## 波形输出测试示波器截图 ## #测试正弦Hz范围内的波形输出： ### 1.50Hz波形，幅度100%输出.  ### 2.136Hz波形，幅度100%输出.  ### 3.203Hz波形，幅度54%输出.  ### 4.363Hz波形，幅度75%输出.  ### 5.502Hz波形，幅度91%输出.  ### 说明在HZ范围内，波形参数与输出参数一致. ## #测试正弦kHz范围内的波形输出： ### 1.26kHz波形，幅度100%输出.  ### 2.53kHz波形，幅度55%输出.  ### 3.145kHz波形，幅度71%输出.  ### 4.220kHz波形，幅度51%输出.  ### 5.369kHz波形，幅度66%输出.  ### 6.593kHz波形，幅度100%输出.  ## #测试正弦MHz范围内的波形输出： ### 1.9MHz波形，幅度100%输出.  ### 2.16MHz波形，幅度77%输出.  ### 3.39MHz波形，幅度77%输出.  ### 4.81MHz波形，幅度77%输出.  ### 5.96MHz波形，幅度77%输出.  ### 6.95MHz波形，幅度100%输出.  #### 我用的示波器在不失真的情况下最大可测量100MHz以下的波形，因此高于100MHz的无法测试，AD9910最大输出400MHz的波形信号。 ## #测试方弦波形输出（步进占空比为10%）： ### 1.占空比90%输出波形，频率244kHz.  ### 2.占空比90%输出波形，频率122kHz.  ### 3.占空比60%输出波形，频率40.7kHz.  ### 4.占空比60%输出波形，频率34.9kHz.  ### 5.占空比60%输出波形，频率24.4kHz.  ## #测试三角波波形输出（步进宽度为10%）： ### 1.宽度100%，频率244kHz的三角波输出波形.  ### 2.宽度60%的三角波输出波形，频率244kHz的三角波输出波形.  ### 3.宽度60%的三角波输出波形，频率122kHz的三角波输出波形.  ### 4.宽度60%的三角波输出波形，频率81.4kHz的三角波输出波形.  ### 5.宽度100%的三角波输出波形，频率81.4kHz的三角波输出波形.  ### 6.宽度100%的三角波输出波形，频率61.0kHz的三角波输出波形.  ### 7.宽度100%的三角波输出波形，频率34.9kHz的三角波输出波形.  ### 8.宽度30%的三角波输出波形，频率24.4kHz的三角波输出波形.  ### 9.宽度90%的三角波输出波形，频率22.2kHz的三角波输出波形.  ## #测试锯齿波波形输出（步进斜率为10%）： ### 1.斜率为20%的锯齿波输出波形，频率244kHz的三角波输出波形.  ### 2.斜率为40%的锯齿波输出波形，频率244kHz的三角波输出波形.  ### 3.斜率为60%的锯齿波输出波形，频率244kHz的三角波输出波形.  ### 4.斜率为30%的锯齿波输出波形，频率81.4kHz的三角波输出波形.  ### 5.斜率为30%的锯齿波输出波形，频率48.8kHz的三角波输出波形.  ### 6.斜率为70%的锯齿波输出波形，频率34.9kHz的三角波输出波形.  ### 7.斜率为70%的锯齿波输出波形，频率27.1kHz的三角波输出波形.  ## #测试输出SinC波形： ### 1.频率122kHz的SinC波形输出.  ### 2.频率81.4kHz的SinC波形输出.  ### 3.频率61.0kHz的SinC波形输出.  ### 3.频率48.8kHz的SinC波形输出.  ### 4.频率34.9kHz的SinC波形输出.  ### 5.频率24.4kHz的SinC波形输出.  ## #测试输出Cos波形： ### 1.频率244kHz的Cos波形输出.  ### 2.频率122kHz的Cos波形输出.  ### 3.频率81.4kHz的Cos波形输出.  ### 4.频率61.0kHz的Cos波形输出.  ### 5.频率48.8kHz的Cos波形输出.  ### 6.频率34.9kHz的Cos波形输出.  ### 7.频率24.4kHz的Cos波形输出.  # 扫频模式 ## 扫频模式1：   ## 扫频模式2（高频）：  # 特别说明：扫频模式的波形应采用性能更好的示波器进行观察，受限于设备原因，此处仅展示扫频的波形。具体扫频功能应用请自行查阅资料。 # 测试结果： ### 经以上波形输出测试，表明模块功能良好，满足基本功能需求。 ## 项目实现功能演示视频： ## 硬件电路简介： # \#\#\# 硬件电路模块主要包含以下： ## 1.DDS-AD9910.（电路及PCB布局布线自主设计） ## 2.STM32F1最小系统核心.（反客科技设计） ## 3.2.8寸IPX-OLED触摸屏.（电路及PCB布局布线自主设计） ## 4.信号输出控制板.（电路及PCB布局布线自主设计） ## 5.控制核心板.（电路及PCB布局布线自主设计） ## 硬件电路1展示图片：AD9910模块硬件电路实物细节展示照片： # 来自沉金工艺的美学---AD9910：      # 底板：   # 液晶：   # 核心板    # AD9910模块硬件电路设计细节说明： ### 这个电路模块应该是目前为止我最满意的，无论是从布局布线还是实际的成品。AD9910的波形输出端，是先用直线代替走线，然后将其转为焊盘，即可构成一个裸露的走线模式。（是否裸露应根据实际情况，具体分析。） ### ### **类似于这种功能繁杂的模块，在进行程序编写或PCB设计时，尽量不要脱离其数据手册，比如该模块供电电源采用+3.3V和+1.8V的电源供电，同时区分模拟电压和数字电压，区分数字地和模拟地，在数据手册中，对电源进行分组等。（具体分组细节查看附件的AD9910数据手册，此处简单提示开发者）我对AD9910模块进行PCB设计时，已经尽可能的按照数据手册要求进行操作，如降数字+3.3V电源与模拟+3.3V电源通过磁珠进行隔离，同时我加入了大量的滤波单元组，通过磁珠和0.1uF、100nF构成的滤波网络进行滤波。滤波电路如下图所示。**  ### 如高精度的运放电路，一般都要求一个旁路的10uF胆电容作为电源滤波，我之前那在查阅参考AD9853运放的放大电路数据手册得知的，因此我在设计AD9910时在其芯片的四周加入了4个10uF的胆电容，用于增加其电源的稳定性，减少电源的干扰。10uF胆电容分别放置在芯片的四个边角上，对应不同的电源。  ### 对于有源晶振电路的供电电源，一般都是需要通过磁珠滤波的，电路结构如图所示。  ### 拨轮按键的电路是将其接入5V电平，默认情况下，电压呈现5V，当按下时，电压跳变为0V，通过软件程序判断，即可赋值相应的操作。（如有不明白的地方可进入数据手册界面，查看其拨轮动作参数说明）  ### 值得注意的是：对于AD9910，在设计时考虑到别的情况下使用的IO接口问题，导致AD9910的接口很多，但是如果你只用来与STM32之类的低速设备进行通信，你可以接大概10个不到的驱动IO即可进行驱动，这就很大程度上减少PCB上IO占用的PCB面积。具体可以参考淘宝网检索出来的AD9910模块设计图，其中一家是天津的科迪特店铺所生产的AD9910模块，此处仅做简单的阐述。 #### 我设计电路的布局，比较喜欢去偷师几家的，然后再整合，都是先淘宝搜，然后去问，有的资料有，有的模块只是你购买才会给你资料，这个就看你个人怎么去弄资料了。但是很多设计电路都差不多，遵循能用即可的原则也可以。 ## 硬件电路3：信号调节板电路实物照片 ## 信号调节板硬件电路设计说明： ### 设计该板主要是用于输出信号的频率、幅度调节，通过一个拨轮开关和两个编码器旋钮，即可进行设置，这比集成键盘进行编程的方式容易的多，同时也节省了PCB的体积，为了增加操作反馈信号，增加了一个贴片式的蜂鸣器模块（直插式的高度太高了，我原本是想压缩整个设备的体积，好绘制外壳的。），通过该模块，可进行相应的提示，比如拨轮波动，比如编码器调节频率等。集成的TYPE-C接口，用于对整个系统进行供电。 ### 同时通过IPEX转SMA接口，将数据采集通道与波形输出通道集成到该板子上，进行输出传递。该操作是为了降低实物的厚度。 ### 本项目中使用的2.8寸OLED屏幕带有触摸功能，但是没有用到，因为通过拨码按键个和EC11模块上的按键即可完成相应的数据设定，在实际情况下，建议采用不带触摸功能的屏幕。 ## 硬件电路5：系统控制核心 ### 该板的主要功能是将控制核心集成在该层，通过排针和排线进行连接。采用STM32F103系列最小系统板，将其引脚引出，通过排线与相应的设备进行连接。 ## 特别说明： ### ①.拨轮按键电路：这个电路我在查不到相关的原理图设计， 通过参考其数据手册进行设计的，喜欢设计的新手可以去看数据手册，然后自行设计电路，锻炼锻炼从数据手册找到解决问题的办法。我是看了数据手册对比了几次才设计了本项目中使用的拨轮按键电路。 ### ### ②.本设计中硬件电路除控制核心STM32F1和2.8寸OLED不是采用嘉立创提供的封装外，其余的所有模块均来自嘉立创提供的元件库，在立创商城均可买到。因此不对购买事项进行说明。 ### ③.一些模块采用的是4层PCB设计，实际布线布局采用双层即可，若参考本项目设计，请具体情况具体分析。 ### PCB电路设计说明： ### ### 此处是AD9910设计时的PCB布局布线时保存的截图，主要是通过截图的形式表达：一款硬件电路的设计是从无到有的，经历的过程可能跌宕不堪，但是实际成果还是让人欣慰。      ### 外围的包边实际是想用金属包边工艺，但是太贵了...有点用不起！ ## 软件程序设计： ### 对于软件程序主要难点在于任意波形输出，针对与本设计软件程序进行任意波形输出的软件说明。 ### 本项目的程序设计难度较低，主要是对AD9910寄存器功能的理解和应用，因为很多操作都是通过寄存器实现的，按键及编码器都是辅助进行相应的设置。 ### 此处特别说明AD9910生成任意波形的代码（采用Matlab生成）  # 三角波函数波形数据生成参考代码. ``` close all; clear all; % 数据深度2^12 N=1024; % 数据宽度2^7 P=16383; a3(1:1:N)=0; for b3=1:1:N a3(b3)=round((P-4)*tripuls((b3-N/2)/N,4,0.5)); end figure(3); plot(a3,'r','LineWidth',2); axis([0, N, 0, P]); fid = fopen('C:\Users\13781\Desktop\1024点波形数据测试\555triplus.coe','wt'); fprintf(fid,'%s\n','memory_initialization_radix=10'); fprintf(fid,'%s\n','memory_initialization_vector='); fprintf(fid,'%g,\n',a3); fclose(fid); ``` ### 生成波形预览  ### 波形数据：  ### 波形数据存入数组中  ### 声明调用  ### 对于AD9910.c文件中的： ### void AD9910_RAM_WAVE_Set(AD9910_WAVE_ENUM wave)函数，建议使用时阅读数据手册进行对比学习，任意频率生成函数的设定都是该通过设定该寄存器的值实现的。  ### 本项目主要核心代码在箭头所示的几个文件夹中，此处仅做简单说明，具体请看程序，大部分核心代码都有注释。  # 提示：这款2.8寸LCD接+5V电源可能会发热严重，建议采用3.3V进行供电. # 功能演示视频：[https://www.bilibili.com/video/BV1A84y1X7gH/](https://www.bilibili.com/video/BV1A84y1X7gH/)