摘要。本设计主要实现包括信号发生，信号叠加与频谱分析三个功能。设计中我们采用stm32作为信号发生与频谱分析的主控芯片，信号发生部分应用dds原理，并通过查表的方式控制da芯片产生模拟信号，再通过编程来改变定时器的溢出值以实现频率调节，最后我们通过不同的查表次序实现相位的预置。
在基于离散傅里叶变换的基本原理上，我们采用fft算法实现频域分析，利用tft-lcd彩屏液晶来实现频谱图的动态显示。经过调试实验，本设计完成了各项指标，发挥部分功能全部能够实现。
关键词： dds原理， stm32, fft算法， 频域分析。
abstract
this design mainly has three functions, the signal occurs, signal superposition and spectral analysis t. we adopt stm32 as master control chip for signal occurrence and spectrum analysis. signaling part adopts dds principle.
through the look-up table way to control da chip to produce analog signal. programming to change the timer overflow value to realize frequency regulation. different table lookup order control different phase.
spectral analysis part is based on the discrete fourier transform principle (fft), using fft algorithm frequency domain analysis. the part of spectrum display make use of tft-lcd, which realizes dynamic display. testing results show that the design finished all kinds of design index.
the function of harder parts is also completely realized
key words: dds, stm32, fft algorithm, frequency domain analysis, spectrum diagram
目录。1. 系统方案4
1.1 剖析赛题4
1.2 系统整体框图4
1.3各模块实现方案4
2. 理论分析与计算7
2.1信号发生理论与计算7
2.2 信号频域分析原理8
2.3 信号采样频率设定依据8
3 电路与程序设计10
3.1 信号发生器部分电路设计10
3.2信号叠加电路与电压跟随器11
3.3分析仪部分电路设计与算法实现12
3.4程序设计14
4.测试方案与测试结果15
4.1测试所用仪器15
4.2测试环境与时间15
4.3测试结果分析15
5设计总结18
参考文献18
附录191.系统方案。
1.1剖析赛题
本题要求设计一个双路低频信号发生器，以及一个能对信号进行频域分析的仪器。难点主要在于较高的频率精度与精确的幅值步进，以及对信号的频域分析。为了实现高精度的频率、幅度和相位调节，本设计需要选用具有较高工作频率、大存储容量的主控芯片，对于频域分析的算法设计以及显示需要一定的编程能力，且显示器件的显示效果等也是设计中需要解决的问题。
1.2系统整体框图。
系统整体电路框图如图1-1所示，主要包括信号发生、叠加和分析仪三部分。
图 1-1 系统整体框图。
1.3 各模块实现方案。
要实现本设计的所有功能以及达到所要求的性能指标，就必须在各个模块的实现方案上做到深思熟虑。针对各模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案。
1.3.1 信号发生器部分方案
方案1：采用pll频率合成技术。其原理如图1-2所示。
图 1-2 pll原理框图。
基本组成为：鉴相器（phase detector）、环路滤波器（loop filter）、压控振荡器voltage control oscillator）其系统传递函数公式如下：
分为开环电路增益、反馈回来增益和闭环电路增益。通过pll技术可以合成我们所需要的频率，相位与幅值。
方案2：采用直接是频率合成器原理，即dds的原理，利用stm32内置的da功能，由stm32控制产生题目要求的各种波形，通过外置的矩阵键盘来控制输出信号的幅值、频率和相位等参数。stm32f103vct6自带两个12位dac，dac转换速率高达1mhz，能够满足设计要求。
方案3：以嵌入式微处理器软核niosii 将微处理器、总线、数字频率合成器、存储器、i/o接口接中在一片fpga上，创建一个sopc系统，通过软件编程实现不同频率不同相位的波形
方案1中的pll技术为频率合成中的早期技术，控制繁琐，精度不高。方案2中利用stm32内部具有可编程dac,简化硬件设计，同时也方便软件编程，且stm32的最高工作频率为72mhz,能够实现高精度的参数调节。而方案3中的fpga编程复杂，相对单片机**更高，且本设计主要为低频信号的产生，无须使用fpga也能满足要求。
综上所述我们最终选择方案2。
1.3.2信号叠加部分方案。
信号叠加部分主要实现对于信号发生器输出的正弦信号进行合成，保证合成。
后的叠加信号正确。我们采用了ti公司提供的tlv2372集成运放来设计。其具有广泛带宽，高转换率的特点。有两种搭建方案。
方案1：同相比例加法器，如图1-3所示。
方案2：反相比例加法器，如图1-4所示。
图 1-3 反相比例加法器图 1-4 反相比例加法器。
方案1同相比例加法电路存在共模输入电压，且调节比例大小困难应用没有反相电路广泛。反相比列加法电路共模输入电压很小，能够方便的增加或减少输入信号个数，灵活调节比列系数。因此选择方案2
1.3.3 信号采集部分方案。
信号采集电路是将模拟的电压信号转换为数字信号。为后续的频域分析提供离散的数列。核心器件是模数转换芯片。
方案1：采用独立的ad采样芯片，外接到分析仪的主控芯片上。
方案2：采用主控芯片自带的adc采样模块。
我们选择的系统的分析仪主控芯片为stm32,其内部自带12位逐次逼近型的模拟数字转换器，最大转换速率为1mhz，可以替代一般的高速ad，因此我们选择方案2。
1.3.4频域分析部分方案。
任何满足狄里赫利条件的周期函数均可以分解为直流和许多余弦分量。如公式（1）所示。
从公式（1）中可以得出周期信号可以分解为各次谐波分量，式中表示基波频率。
频域分析的主要目的就是分析出各个频率的周期信号所对应的幅值分量与相位分量。在频率域信号通常由傅里叶变换来描述。通过采样电路我们获得的是离散序列，工程与理论研究中对于频谱分析的通用方法为快速傅里叶变换(fft)
1.3.5 显示器的选择。
显示器主要用来显示频域分析的结果即频谱图，显示器件能够清晰快速显示，主要有以下几种方案。
方案1：采用vga显示器进行显示。
方案2：采用串口示波器软件进行窗口显示。
方案3：采用tft-lcd即薄膜晶体管液晶显示器。
方案4：采用12864液晶显示。
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