第３期 姜建国等．基于ＳＴＭ３２的新型信号发生器设计 ２７３ 基于ＳＴＭ３２的新型信号发生器设计 姜建国 王梦谦 王海星 （东北石油大学电气信息工程学院） 摘要给出信号发生器的硬件组成，阐述ＤＤＳ芯片ＡＤ９８３３的工作原理，ＳＰＩ通信过程，正弦波、三角 波、方波３种信号的软件实现方法。搭建控制平台验证信号发生器的性能，结果表明：该信号发生器信 号输出高频噪声少、频率精度高。 关键词 信号发生器 ＳＴＭ３２ ＤＤＳ芯片ＡＤ９８３３ Ｃ语言 中图分类号ＴＨ８９ 文献标识码 Ａ 文章编号 １０００—３９３２（２０１７）０３—０２７３￣４ 信号发生器又叫函数信号源，广泛应用于自 动控制、电子电路及科学试验等领域¨ 。信号发 生器按工作原理可分为模拟和数字两种类型，随 着科技的进步，由模拟器件组成的信号发生器已 经极少了，取而代之的是电路简洁、功能多样、功 耗低的数字型信号发生器。由数字电路组成的信 号发生器一般由单片机控制数模转换芯片，但存 在噪声大、功耗大、高频性能差及频率不准等缺 片；按键电路，负责人机交互，控制输出波形的类 型和频率；ＤＡＣ８８３０，负责输出直流信号；集成 ＤＤＳ芯片ＡＤ９８３３，负责输出正弦波、方波等多种 信号。 按键电路Ｈ ＳＴＭ３２最小系统 图１ 信号发生器结构框图 Ｓ— Ｓ一 ＳＴＭ３２是一种基于Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３内核的３２位 点。目前，最先进的信号发生技术是直接数字频 率合成技术（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ，ＤＤＳ），该技 ＡＲＭ处理器，具有价格便宜、功耗低及性能优越 等优点 ］。ＳＴＭ３２内部集成了３个ＳＰＩ通信接 口，与普通的５１单片机相比，可极大地简化系统 设计。ＳＴＭ３２最小系统由电源电路、时钟电路、复 位电路和程序下载电路组成。 ＤＡＣ８８３０是一个１６位超低功耗、电压输 出的数模转换器，具有精确度高、干扰小、噪声 低及快速稳定等优点 ，广泛应用于工业过程 术具有成本低、功耗低、分辨率高及转换时间短等 优点，广泛应用于电信与电子仪器领域，是一种实 现设备全数字化的关键技术 。由ＤＤＳ芯片组 成的信号发生器可以把其输出频率的稳定度、准 确度提高到与基准频率相同的水平，并且可以在 很宽的频率范围内进行精细的频率调节，采用这 种方法设计的信号源可工作于调制状态。据此， 笔者利用ＤＤＳ集成芯片ＡＤ９８３３实现了一个基于 ＳＴＭ３２的函数信号发生器，通过按键选择波形种 控制、数据采集系统、便携式设备及自动测试 设备等领域。ＤＡＣ８８３０采用ＳＰＩ通信方式，ＳＰＩ 接口速度最高可达５０ＭＨｚ。ＤＡＣ８８３０的电路 原理如图２所示，在输出端加入ＯＰＡｌ ８８运放 类和输出频率，实现高精度的波形输出。 １ 硬件部分 基于ＳＴＭ３２的信号发生器（图１）由４部分 组成：ＳＴＭ３２最小系统，负责控制ＤＤＳ和ＤＡＣ芯 可组成电压跟随器，以保证输出波形的带负载 能力并起到隔离作用。 作者简介：姜建国（１９６６一），教授，从事电力电子与电力传动的研究。 联系人：王海星（１９９１一），硕士研究生，从事电力电子与电力传动的研究，ｗｈｘ１２３７＠１６３．ｃｏｍ。 ２７４ 化工自动化及仪表 第４４卷 图２ ＤＡＣ８８３０的电路原理 ＤＤＳ芯片ＡＤ９８３３是一个完全集成的ＤＤＳ 频率最高可达４０ＭＨｚ。ＡＤ９８３３采用５．０Ｖ电源 供电，与ＳＴＭ３２通过ＳＰＩ１引脚相连。ＡＤ９８３３外 电路，无需外接其他元件，仅需一个外部参考时 钟、解耦电容就能产生高达１２．５ＭＨｚ的正弦波， 同时输出频率、相位等可通过软件编程设置 。 主控制器通过ＳＰＩ接口将数据写入ＡＤ９８３３，工作 部时钟由１０ＭＨｚ有源晶振提供，利用２２０１）阻尼 电阻可改善时钟波形。ＡＤ９８３３正弦波发生电路 如图３所示。 图３ ＡＤ９８３３正弦波发生电路 ２软件部分 把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字 量信号，驱动ＤＡＣ输出模拟量。相位寄存器每经 过２２ｓ／Ｍ个外部时钟后回到初始状态，相应地，正 弦查询表经过一个循环也回到初始位置，这样就 输出了一个正弦波 。正弦波的输出频率 为： ，ｏｕｔ＝Ｍ 通过信号发生器软件的设计实现扫描键盘的 输入，控制芯片输出相应的波形。ＳＴＭ３２与 ＡＤ９８３３和ＤＡＣ８８３０之间选择ＳＰＩ通信方式。程 序使用Ｃ语言编程，在ＭＤＫ５编程环境下实现编 译。 ＡＤ９８３３的核心是２８位相位累加器（由加法 器和相位寄存器组成），每来一个时钟信号，相位 寄存器步长增加，相位寄存器的输出与相位控制 字相加后输入到正弦查询表地址中。正弦查询表 其中， 为频率控制字，由编程给定，０≤Ｍ≤ ２拍一１ 为外部晶振频率。当外部晶振频率为 ２５ＭＨｚ时，若输出４００Ｈｚ正弦波，则计算得到 为０ｘ１０Ｃ７。因为ＡＤ９８３３的频率控制器是２８位 的，ＳＴＭ３２的ＳＰＩ最多可发送１６位数据，所以需 包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址 对应正弦波中０～３６０。的一个相位点 。查询表 第３期 ２７５ 要发送两次，每次发送ｌ４位数据。低ｌ４位ＬＳＢ 为０ｘｌ０Ｃ７，高１４位ＭＳＢ为０。 根据ＡＤ９８３３数据手册进行ＳＰＩ通信设置： ＳＰＩ为单向传输、主模式、ｌ６位数据传输、空闲状 态ＳＣＬＫ为高、第２个沿捕获、软件控制、波特率 有高精度的特点 懂用在实际工程中时，可以通 过在信号发 器后端加入信号放大环节来增加其 ２５６、数据传输时高位在前 。 外部晶振为 １０ＭＨｚ时发生１０ｋＨｚ的正弦波需要发送以下控 制字：０ｘ２１００（将一个完整控制字通过两次连续写 入频率寄存器）、０ｘ５８９３（频率寄存器０的ＬＳＢ）、 ０ｘ４０１０（频率寄存器０的ＭＳＢ）、０ｘＣＯ００（相位寄 存器０设置为０）、０ｘ２０００（退出复位，在ＲＥＳＥＴ 置０后的７个ＳＣＬＫ周期内ＤＡＣ输出端出现信 号）。输出直流量相对容易，通过ＳＴＭ３２输出对 应的数字信号给ＤＡＣ８８３０即可。 程序流程如图４所示，首先扫描键盘来判断 输出的波形，当选择函数信号时，初始化ＳＰＩＩ，来 准备控制ＡＤ９８３３，再通过控制字求取方法求出对 应波形频率的控制字；当选择非函数信号时，初始 化ＳＰＩ２，来控制ＤＡＣ８８３０输出对应的直流信号 选择两个ＳＰＩ口是因为ＡＤ９８３３和ＤＡＣ８８３０对 ＳＰＩ的通信设置是不同的。 习６ 三角波 图４程序流程 ３ 结果分析 结合软硬件设计，组成基于ＳＴＭ３２的信号发 生器，通过按键设置发出ｌ ｋＨｚ的正弦波、三角波、 方波，结果如图５～７所示。可以看出，信号输出 高频噪声少、频率精度高。方波信号的振铃现象 是鉴别信号发生器品质的一个重要标志，从图７ ４结束语 中可以看出，方波信号振铃小，表明信号发生器具 笔者利用ＤＤＳ 片ＡＤ９８３３设计了一个基于 ２７６ 化工自动化及仪表 第４４卷 ＳＴＭ３２的函数信号发生器，完成了硬件部分的制 作与测试、软件部分的编程。波形输出结果表明， 笔者设计的信号发生器精度高、系统集成度高、功 耗低，具有很好的工程应用价值和借鉴意义。 无线智能家居控制系统［Ｊ］．自动化技术与应用， ２０１１，３０（８）：９８～１０１． ［５］ 毛敏，张玲娜．基于ＤＤＳ的高精度信号发生器设计 ［Ｊ］．电子科技，２００９，２２（７）：３７—４Ｏ． ［６］ 刘朝军，许人灿，陈曾平．ＤＤＳ输出信号频谱结构的 系统分析［Ｊ］．国防科技大学学报，２００５，２７（６）：５３ 参 考 文 献 张美仙，王红亮，丁海飞．基于ＤＤＳ芯片的信号源设 计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１０，（９）：５４—５６． ［２］ 刘伟，胡仁杰，王峥．基于ＡＤ９８５０芯片的信号发生 ～５６． ［７］ 李海松，张奇荣，权海洋．ＤＤＳ的相位截断及相应的 杂散信号分析［Ｊ］．微电子学与计算机，２００６，２３ （２）：１４１—１４３． ｒ Ｒ］ 杨国渝，粟显义．采用ＤＤＳ＋ＰＬＬ技术实现ｓ波段 频率合成的一种方法［Ｊ］．电子科技大学学报， １９９９，２８（４）：３８８—３９１． 器的研究［Ｊ］．电工电气，２００９，（１１）：１９—２１． ［３］ 周立功，王祖麟，陈明计，等．ＡＲＭ嵌入式系统基础 教程［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００８， ［４］ 张逢雪，王香婷，王通生，等．基于ＳＴＭ３２单片机的 （收稿日期：２０１６—１１－０７） Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｎｅｗ Ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２ ＪＩＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｇｕｏ，ＷＡＮＧ Ｍｅｎｇ—ｑｉａｎ，ＷＡＮＧ Ｈａｉ—ｘｉｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＡＤ９８３３ ｃｈｉｐ（ＤＤＳ）ｗａｓ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ＳＰＩ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｅ ｓｉｇｎａｌｓ，ｔｒｉａｎｇｌｅ ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ ｓｑｕａｒｅ ｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌｓ．Ｖｅｒｉｆｙｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎ— ｔｒｏｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ，ｔｈｉｓ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｈａｓ ｌｅｓｓ ｈｉｇｈ・ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｎｏｉｓｅ ｉｎ ｓｉｇｎａｌｓ ｏｕｔｐｕｔ ａｎｄ ｈｉｇｈｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｃｃｕｒａｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ＳＴＭ３２，ＤＤＳ ＡＤ９８３ ３ ｃｈｉｐ，Ｃ ｌａｎｇｕａｇｅ （上接第２５２页） Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ．ｖａｃｕｕｍ Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ Ｕｎｉｔ ｗｉｔｈ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｃｒｕｄｅ Ｏ＿ｌ Ｂｌｅｎｄｉｎｇ Ｒａｔｉｏｓ 、ＬＩ Ｍｉｎ 一，ＷＥＩ Ｑｉ—ｙｅ ，ＣＨＩ Ｌｉａｎｇ （１．Ｊｉｌｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ； ３．Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｐｌａｎｔ，Ｊｉｌｉｎ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｐｅｔｒｏ・－Ｓｉｍ ｓｏｈｗａｒｅ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ・－ｖａｃｕｕｍ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ ＳＯ ａｓ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｗｈｅｔｈｅｒ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｌｅｎｄｉｎｇ ｒａｔｉｏｓ ａｎｄ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｆｏｒ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ’Ｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｈｉｇｈ ｌｏａｄ ａｔ ｔｈｅ ｖａｃｕｕｍ ｔｏｗｅｒ ０一 ｖｅｒｈｅａｄ，ｔｈｅ ｖａｃｕｕｍ ｆｕｒｎａｃｅ ｔｕｂｅ ｄｉｄｎ’ｔ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｓｔｅａｍ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｉｌ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｒｎａｃｅ ｔｕｂｅ ｍａｙ ｌｅａｄ ｔｏ ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｏｉｌ ｃｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｋｉｎｇ．Ｈａｖｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｖａｃｕｕｍ ｆｕｒｎａｃｅ ｂａｓｅｄ ｔｏ ｃｒｅａｔｅ ｃｏｋｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ ｃａｎ ｖｉｓｕａｌｌｙ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｏｉｌ ｃｏｋｉｎｇ ｔｅｎｄ— ｅｎｃｙ ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｒｅａ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ—ｖａｃｕｕｍ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ，Ｐｅｔｒｏ－Ｓｉｍ，ｍｉｘｉｎｇ ｒａｔｉｏ，ｃｕｔ ｙｉｅｌｄ，ｖａｃｕｕｍ ｆｕｒｎａｃｅ
