淺析基于單片機(jī)的信號發(fā)生器技術(shù)

宮玉坤，柏 宇，張潤澤

（南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，南京 210046）

1 引言

信號源是電子信息專業(yè)中，應(yīng)用最廣最重要的信號測試設(shè)備之一其功能是制造被測電路需要的測試信號。信號源可以分為四大類，正弦波信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器、矩形脈沖信號發(fā)生器和隨機(jī)信號發(fā)生器。信號發(fā)生器有著源遠(yuǎn)流長的研究歷史，在20年代，電子設(shè)備儀器剛被開發(fā)出來時，信號發(fā)生器便一同產(chǎn)生。通信和雷達(dá)技術(shù)飛速發(fā)展之后，在四十年代標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器應(yīng)時代需要被發(fā)明出來，被用于測試各種接收機(jī)。這一跨越式發(fā)展實(shí)現(xiàn)了信號發(fā)生器從定性測試到定量測試的質(zhì)變型飛躍。三角函數(shù)的方程式可以用來表述各種缽形曲線，所以信號發(fā)生器目前在科技和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展前景很，在實(shí)驗(yàn)操作中，更是必備的測量工具。近年來通信、電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，所需要信號的頻率和精度都大大提高，對于信號發(fā)生器設(shè)計制造技術(shù)提出了更高的要求?，F(xiàn)如今大、中、專院校的教學(xué)用信號發(fā)生器往往笨重、老舊并且數(shù)量有限。實(shí)驗(yàn)器材室的限時開放也難以滿足學(xué)生隨時隨地學(xué)習(xí)的實(shí)際需求，為教學(xué)和學(xué)習(xí)帶來了較大不便。因此基于單片機(jī)技術(shù)的便攜式信號發(fā)生器進(jìn)入人們的視野。針對這些問題，本文將深入分析基于STM32F103單片機(jī)技術(shù)的便攜式信號發(fā)生器的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 基于單片機(jī)技術(shù)的便攜式信號發(fā)生器的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 基于單片機(jī)技術(shù)的便攜式信號發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單

整個系統(tǒng)只需要由單片機(jī)核心板外接一塊電容式液晶觸摸屏，DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器和 DMA控制器均可以采用STM32F103片內(nèi)資源，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，降低了開發(fā)難度和成本。

（2）硬件成本低

目前一塊STM32F103芯片的價格在10元左右，市場上的最小系統(tǒng)板的價格在40元左右，加上液晶觸摸屏，總成本可以控制在200元以內(nèi)，對于基于單片機(jī)技術(shù)的便攜式信號發(fā)生器的研發(fā)和設(shè)計都是十分有利的。

（3）輸出信號種類豐富多樣

基于STM32單片機(jī)的信號發(fā)生器輸出信號的種類和頻率都可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要設(shè)計的比較高，并且可以實(shí)現(xiàn)。這由STM32F1芯片的硬件資源所掌控。本次設(shè)計采用的STM32F103芯片的速度能達(dá)到72MHz，再加上采用DMA內(nèi)存直接存取訪問的方式，輸出信號由數(shù)模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度決定。自帶的數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出1MHz以下的信號是完全沒有問題。

2.2 基于單片機(jī)技術(shù)的便攜式信號發(fā)生器的缺點(diǎn)

（1）輸出信號的頻率難以提升到很高

如今，市場上的各類信號發(fā)生器設(shè)備種類繁多，令人目不暇接。但信號發(fā)生器作為一種電子測量儀器而言，其最重要的性能評價指標(biāo)無外乎輸出信號的頻率、精度、穩(wěn)定度和種類?；趩纹瑱C(jī)的信號發(fā)生器面臨著一些共同的問題，其主要體現(xiàn)在單片機(jī)處理和運(yùn)算速度不夠快、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換速度不夠快、輸出信號的頻率難以做的很高。

（2）輸出信號的幅度范圍有限

輸出小信號和大信號的能力是評價信號發(fā)生器的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。由于單片機(jī)片內(nèi)DAC采用3.3V或者5.5V電壓作為參考電壓，因此輸出信號的最高幅度不能超過此范圍。同時，單片機(jī)片內(nèi)DAC的位數(shù)只有14位，輸出信號的精度由此決定。所以單片機(jī)輸出小信號的能力十分有限，在輸出信號較小時，噪聲較大，甚至對輸出信號產(chǎn)生較大的干擾，影響正常使用。

3 結(jié)束語

基于單片機(jī)的信號發(fā)生器具有兩面性。其優(yōu)點(diǎn)十分明顯，即低成本、低功耗、輸出信號類型豐富、可以由學(xué)生自己編程、便攜性好等。但同時，受單片機(jī)硬件條件限制，基于單片機(jī)的信號發(fā)生器輸出信號的頻率高低完全取決于單片機(jī)主頻高低以及所使用的DAC轉(zhuǎn)換速度快慢。因此，充分利用單片機(jī)設(shè)計編程上的靈活性，采用速度快、DAC精度高、轉(zhuǎn)換速度快的單片機(jī)來設(shè)計實(shí)現(xiàn)信號發(fā)生器，揚(yáng)長避短，不斷創(chuàng)新，才能基于單片機(jī)技術(shù)設(shè)計實(shí)現(xiàn)有較強(qiáng)實(shí)用性和較高性價比的信號發(fā)生器。

[1] 劉火良，楊森.STM32庫開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[2] 馬洪連，李大奎主編，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用實(shí)例.北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[3] 胡成華，劉傳瑞，郭文生編著，嵌入式網(wǎng)絡(luò)編程：串口通信、工業(yè)總線、傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā).北京：電子工業(yè)出版社，2012.01.

[4] 意法半體（中國）投資有限公司.STM32F10xxx中文參考手冊[EB/OL].2017.