1系统总体设计
信号发生器的总体设计由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统主要包括：信号发生电路、ARM控制电路、通信接口电路、信号滤波电路等，如图1所示。
图1 信号发生器硬件框图
软件系统主要包括串口协议解析、定频、定幅输出控制、扫幅控制及FSK等功能控制部分，如图2所示。
图2 信号发生器软件框图
2系统硬件设计
2.1信号发生电路
信号发生电路主要由DDS芯片构成，本文采用的是DDS芯片为ADI公司的AD9854，该芯片的最高时钟频率为300MHZ，具有12位可编程幅度控制寄存器及48位可编程频率控制寄存器；可以通过串行SPI接口或者8位并口与控制器通信。本文设计中采用8位并口与ARM控制器通信，并口的通信方式较串口大大提高了读写速度。信号的频率和幅度由ARM控制器写入频率控制字和幅度控制字来调节。
信号发生电路如图3所示，其中CLK为外部时钟信号的输入；A0-A5为6位地址总线，D0～D7为8位数据总线，芯片通过上述总线与ＡＲＭ控制器通信。电阻R2用来控制输出信号的量程。IOUT1与IOUT2为两路相位差180°的信号输出。芯片内部还集成了一个比较器，可以将输出的正弦波信号的接入比较器的输入端产生方波信号。
图3 DDS芯片电路
2.2 ARM控制器电路
ARM控制器电路的主芯片采用了基于Cortex-M3内核的STM32系列处理器，其型号为STM32F103，该处理器最高频率72MHZ；拥有丰富的GPIO接口，非常适用于并口通信；同时该芯片还包含了两路ADC数模转换器，3个定时计数器及USART串口等外设资源。ARM控制器通过地址总线、数据总线及控制总线与DDS芯片连接，实现对芯片的读写控制。
2.3串口通信电路
串口是一种通用的串行通信接口，广泛应用于各类电子产品中。由于目前大部分的PC机已经取消了RS232串口，为方便用户在电脑上使用串口与信号发生器通信。本文设计了一个串口与USB接口转换电路。电路使用的接口转换芯片为CH340。该电路结构简单，实现了串口TTL电平与USB接口的转换。其中TXD与RXD为串口TTL电平接口与主控芯片连接；D＋与D－为USB电平接口与上位机连接。
2.4信号滤波电路
DDS芯片输出模拟信号本质上是一个D/A转换过程，因此输出的波形是一种阶梯波，包含多种高次谐波，必须通过一个低通滤波器器进行滤波，使得信号能够平滑输出。并且输出的交流信号包含有流偏置电压，在输出时必须将直流偏置电压滤除。本文根据AD9854的数据手册设计了一个七阶椭圆低通滤波器电路和一个交流耦合电路。电阻R12实现了I/V转换，电容C34～C36、C39～C42及电感L5～L7构成了七阶低通滤波器，七阶低通滤波器滤除信号中的高频谐波，减少信号上的毛刺，使得信号变得更加光滑。电容C37用于滤除了信号中的直流偏置，实现了交流耦合。
3系统软件设计
3.1串口协议解析
外部设备通过串口与信号发生器连接，控制信号发生器产生所需要的信号。外部设备将控制的信息打包成一帧数据发送给信号发生器，控制器按照通信协议解析接收的数据帧。串口通信协议的帧结构如表1所示。一帧数据包括4个部分，分别为功能码（1Byte）、帧长码（1Byte）、数据码（6～12Byte）及结尾符（2Byte）。功能码有3个（0X01、0X02、0X03）分别表示“定频定幅”、“幅度扫描”及“频率扫描”3种输出功能；帧长码用来表示某一帧数据的字节长度；数据码用来表示具体的信号信息，其中包括信号类型、信号的幅度和频率等信息；结尾符代表一帧数据的结尾，用来校正数据的有效性。
表1 串口协议结构Byte
3.2幅频输出控制
幅频输出利用DDS芯片的函数表查找及数模转换功能实现，其控制的主要过程是：STM32控制器通过并口对AD9854的寄存器进行写操作。其写操作功能包括4个过程：向控制寄存器写入功能模式数据；向频率控制寄存器写入频率数据；向幅度控制寄存器写入幅度数据；向控制寄存器写入使能信号。
3.3频率扫描控制
频率扫描功能是利用AD9854的频率调制功能实现的，在该模式下，芯片内部包含有2个频率寄存器、1个步进数值寄存器及１个斜率设置寄存器。2个频率寄存器分别用来设置频率的上限与下限；步进数值寄存器用来设置频率步进值；斜率寄存器用了设置步进的的时间间隔，间隔时间＝寄存器数值×系统时钟。
3.4幅度扫描控制
幅度扫描控制是利用OSK的功能实现，OSK功能是让信号输出过程不是直接跳变到设定值，而是通过步进的方式进行输出，并且可以调整步进的周期。从宏观的角度看，就相当于一个幅度扫描过程。幅度扫描的斜率可以通过芯片内部的寄存器来设置。外部信号“ShapedKeying”用来设置幅度扫描的上限。
结束语
本文基于AD9854和STM32芯片设计了一款便携式的信号发生器；采用STM32芯片作为控制核心通过并口方式驱动AD9854，并设计了一个USB接口与上位机通信。该信号发生器可以输出的信号频率为0～30MHZ，信号幅度为0～500MV；除常规波形输出外还可以输出FSK、PSK等调制信号，同时还还具备频率扫描、幅度扫描等功能。经实验验证，该信号发生器输出信号的频率与幅度稳定性和精度较高。该信号发生器体积小、使用方便，可应用于电路调试过程及电路系统中，例如可以作为电路调试的信号源使用，也可以作为调幅系统的载波信号，还可以作为仪器射频电源前级频率源。但本文设计还存在一些不足之处，例如输出带宽还需要继续扩大，控制方式也有待于进一步优化，可以考虑使用触摸屏进行控制。
参考文献
[1]丁蓉，杨俊杰．基于DDS技术的信号发生器的设计与实现［J］．上海电力学院学报，2017
[2]汤兵兵．基于DDS技术的信号发生器设计与实现［D］．南昌：南昌大学，2015
