开源基于stm32f103c8的ad9850dds模块信号发生器

电子信息2023专业实践综合设计I课程设计

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基于AD9850的DDS信号发生器设计

摘要

直接数字频率合成（DDS）技术具有频率分辨率高、切换速度快、相位连续等优点，已成为现代信号发生器的核心技术之一。本文设计了一款基于STM32F103C8T6微控制器与AD9850 DDS芯片的高精度信号发生器，实现了正弦波、方波输出，频率可调、双向扫频、OLED可视化显示及矩阵键盘交互功能。系统以STM32F103C8T6为控制核心，通过SPI接口驱动AD9850生成精准频率信号；方波输出无需放大即可超过5V，正弦波经AD620仪表放大器放大至目标幅值；采用嘉立创EDA完成原理图与PCB设计，实物焊接后稳定运行；0.96寸OLED显示屏实现菜单导航与参数显示，优化差异刷新策略避免闪烁；4×4矩阵键盘映射为老人机式操作界面，提升易用性。电源系统采用LM2596模块配合12V输入，压降输出5.1V供核心器件，经STM32核心板二次降压为3.3V，12V同时为AD620供电。测试结果表明，系统频率输出范围0-40MHz，相对误差≤0.1%，AD620放大器在≤100kHz频率下放大无失真，超过100kHz后波形失真为类三角波，扫频功能稳定可靠，可满足中低频电子测量、传感器测试等场景需求。

关键词：STM32F103C8T6；AD9850；AD620；DDS技术；扫频功能；PCB设计；LM2596

1、设计思路与方案

基于STM32F103C8T6和AD9850设计了一款高精度、多功能DDS信号发生器。该系统的主要电路包括：核心控制电路、DDS频率合成电路、信号放大电路、OLED显示电路、矩阵键盘输入电路、LED指示电路及电源稳压电路。系统支持固定频率输出与双向扫频输出两种模式，用户可通过键盘设置频率参数、扫频参数（起始频率、终止频率、步进频率、驻留时间）及输出单位（Hz/kHz/MHz），参数信息实时在OLED屏上显示，LED灯指示扫频方向。通过嘉立创EDA完成原理图绘制与PCB布局布线，实物验证了硬件设计的合理性与稳定性。

1.1 系统硬件的论证与选择

1.1.1 控制器选用

本设计采用ST厂商推出的STM32F103C8T6微控制器作为核心控制单元。该芯片基于ARM Cortex-M3内核，主频可达72MHz，具备64KB Flash和20KB RAM，资源丰富且性价比高。其集成了多个通用定时器、SPI接口、I2C接口及丰富GPIO引脚，可满足DDS芯片驱动、OLED显示、键盘扫描等多外设协同工作需求；同时支持中断响应与定时器精准计时，为扫频算法中的驻留时间控制提供硬件保障，相比传统51单片机，运算速度更快、控制精度更高，完全适配信号发生器的高性能要求。

1.1.2 DDS模块方案选择

采用Analog Devices公司的AD9850 DDS频率合成器。该芯片内置125MHz高速时钟，频率输出范围0-40MHz，频率分辨率可达0.0291Hz，支持串行与并行两种控制方式，本设计采用串行控制以节省GPIO资源。AD9850通过接收STM32发送的频率控制字（FTW）实现精准频率合成，输出差分正弦波电流信号，经负载电阻转换为电压信号后送入放大电路；其方波输出无需放大即可达到≥5V幅值，满足部分场景直接使用需求。相比传统RC振荡电路，AD9850具有频率稳定性高、切换无相位跳变、参数配置灵活等优势，是实现高精度信号输出的核心组件。但该模块在5.1V供电下长时间工作会出现明显发烫，因此连续运行测试时长限制为30分钟。

1.1.3 显示模块方案选择

选用0.96寸OLED显示屏（SSD1306驱动），采用I2C接口通信。该显示屏分辨率为128×64像素，具有低功耗（工作电流<10mA）、高对比度、无需背光、响应速度快等特点，适合嵌入式系统的便携式应用。相比LCD显示屏，OLED屏无需背光模块，结构更简单、功耗更低，且自发光特性使其在不同光照环境下均能清晰显示；I2C接口仅需两根信号线（SCL/SDA），简化了硬件连接，减少了对STM32引脚资源的占用。在PCB布局中，将OLED接口靠近STM32的I2C引脚，缩短走线长度，降低信号干扰。

1.1.4 输入模块方案选择

采用4×4矩阵键盘作为输入单元，通过行扫描法实现按键检测。矩阵键盘相比独立按键，在相同按键数量下占用GPIO引脚更少（本设计占用8个GPIO引脚，实现16个按键功能），且结构紧凑、成本低廉。为提升操作易用性，将键盘映射为老人机式导航逻辑：2/8键对应上/下方向、4/6键对应左/右方向、#键为确认键、*键为返回键、0-9键为数字输入键，符合用户直觉式操作习惯，降低了参数设置门槛。PCB布局中采用“行线与列线交叉布局”，相邻走线保持合理间距，避免按键串扰；每个按键引脚并联0.1μF去耦电容，进一步优化消抖效果。

1.1.5 放大模块方案选择

选用Analog Devices公司的AD620仪表放大器构建信号放大电路。AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，具有低噪声（0.28μV/√Hz）、低失调电压（50μV max）、高共模抑制比（140dB min）等优点，特别适合差分信号放大，完美匹配AD9850的差分输出特性。其供电范围宽（单电源4.5V36V或双电源±2.3V±18V），本设计采用12V单电源供电，直接取自系统输入电源，简化供电架构。

AD620的增益调节方式简单，仅需一个外部电阻即可实现，增益计算公式为：

AD9850经200Ω负载电阻转换后的正弦波输出峰峰值约0.2V，需放大至5V峰峰值，因此所需放大倍数为25倍。代入公式计算外部电阻：

实际选用2.1kΩ（1%精度金属膜电阻），确保增益精准稳定。测试验证，AD620在≤100kHz频率范围内放大波形些许失真，超过100kHz后因带宽限制（增益25倍时带宽约80kHz），输出波形逐渐失真为类三角波，符合其器件特性。

1.1.6 指示模块方案选择

设计3个LED灯作为状态指示单元，分别连接STM32的PB3、PB4、PB5引脚。其中LED1（PB3）用于反向扫频指示（常亮），LED2（PB4）用于扫频流水灯指示（循环闪烁），LED3（PB5）用于正向扫频指示（常亮）。LED指示电路结构简单、成本低廉，可直观反映系统扫频状态与方向，辅助用户判断设备工作情况，提升系统交互体验。PCB布局中LED串联1kΩ限流电阻，避免电流过大烧毁器件，指示灯位置靠近oled显示屏边缘，便于观察。

1.1.7 电源模块方案选择

采用“12V输入→LM2596降压→5.1V→AMS1117降压→3.3V”的两级降压架构。选用Texas Instruments的LM2596开关稳压模块，其输入电压范围4.5V~40V，输出电压可调，效率高达92%，可稳定将12V输入压降为5.1V，供AD9850、矩阵键盘及STM32核心板供电；STM32核心板内置AMS1117-3.3V稳压芯片，二次降压输出3.3V，为OLED显示屏、STM32外设等低电压器件供电。12V输入同时直接为AD620放大器供电，满足其宽电压供电需求。

电源电路中，LM2596输出端并联100μF电解电容与0.1μF陶瓷电容，分别滤除低频噪声与高频噪声；AMS1117输出端并联22μF钽电容与0.1μF陶瓷电容，进一步降低电源纹波。PCB布局中采用“电源分区”设计，将LM2596模块靠近电源接口，电源线加宽（≥2mm），减少线损与发热，模拟地与数字地单点连接，避免电源噪声干扰信号回路。

1.1.8 PCB设计与实物实现

采用嘉立创EDA专业版进行原理图绘制与PCB布局布线。原理图设计遵循“模块化”原则，将核心控制、DDS合成、信号放大、电源稳压等功能划分为独立模块，便于调试与修改；PCB布局采用“紧凑布局+信号分区”策略，核心器件（STM32、AD9850）居中放置，高频信号线短而直，长度控制在3cm以内，减少信号衰减与串扰；矩阵键盘、LED指示灯等外设靠近PCB边缘，便于焊接与操作。

原理图

布局布线图

3D效果图

实物图

布线规则：电源线宽≥30mil，信号线宽8mil~30mil；I2C、SPI等同步信号线保持等长走线，相邻走线间距≥0.5mm；AD620的输入差分信号线采用差分走线，长度一致、间距固定，降低共模干扰。PCB设计完成后通过嘉立创打样，焊接核心器件与外设后，经通电测试、参数校准，系统稳定运行，验证了硬件设计的合理性与可靠性。

1.2 控制系统方案选择

采用“硬件抽象层-中间件层-应用层”的分层软件架构，降低模块间耦合度，便于维护与功能扩展。硬件抽象层负责GPIO、SPI、I2C等外设的底层配置；驱动层实现AD9850、OLED、键盘、LED 等外设的驱动函数；中间件层提供延时管理、中断处理、显示缓存等系统服务；应用层实现状态机管理、菜单交互、扫频算法等核心业务逻辑。

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐

│ DDS信号发生器软件架构 │

├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤

│ 应用层 (Application) │

├──────────────┬──────────────┬──────────────┬──────────────┬─────────┤

│ 用户界面 │ 频率控制 │ 扫描控制 │ 状态管理 │ LED控制│

│ 6种模式切换 │ AD9850驱动 │ 扫频算法 │ 全局状态机 │ 扫频指示│

│ 差异刷新 │ 40MHz限制 │ 驻留时间 │ 显示缓存 │ 流水灯 │

├──────────────┼──────────────┼──────────────┼──────────────┼─────────┤

│ 中间件层 (Middleware) │

├──────────────┬──────────────┬──────────────┬──────────────┬─────────┤

│ OLED驱动 │ 键盘驱动 │ 延时管理 │ 系统定时 │ I2C驱动│

│ 字符/图形 │ 老人机映射 │ us/ms延时 │ SysTick │ 软件I2C│

├──────────────┼──────────────┼──────────────┼──────────────┼─────────┤

│ 硬件抽象层 (HAL) │

├──────────────┬──────────────┬──────────────┬──────────────┬─────────┤

│ GPIO控制 │ SPI模拟 │ I2C模拟 │ 中断管理 │ 时钟管理│

│ 推挽输出 │ 位操作 │ 起停信号 │ SysTick中断 │ 72MHz │

└──────────────┴──────────────┴──────────────┴──────────────┴─────────┘

系统采用有限状态机（FSM）设计，定义7种工作模式：主菜单模式、频率设置模式、扫频设置模式、扫频运行模式、数字输入模式、单位选择模式、波形显示模式。通过全局状态变量记录当前工作模式与参数，键盘操作触发状态切换，OLED屏实时更新对应界面，实现模块化、流程化的系统控制。

状态机流程图

为解决OLED屏频繁刷新导致的闪烁问题，设计显示缓存架构（DisplayCache_t），通过对比缓存数据与当前数据，仅刷新变化区域（行级刷新或局部清除），静态元素（标题、坐标轴）与动态元素（频率值、波形）分离绘制，显著提升显示流畅度。

显示刷新流程图

2、理论分析与计算

2.1 DDS频率合成原理与计算

AD9850的频率合成核心是通过频率控制字（FTW）与系统时钟的映射关系实现精准频率输出，其频率计算公式为：

其中， 为输出频率（Hz）， 为32位频率控制字， 为AD9850的系统时钟（本设计采用125MHz外部晶振）。

根据上述公式可推导频率控制字的计算方法：

示例计算：当需要输出1kHz正弦波时，代入公式得：

STM32通过SPI接口将计算得到的FTW发送至AD9850，即可实现1kHz信号的精准输出。

2.2 扫频算法参数计算

扫频功能的核心是实现频率从起始值到终止值的连续步进切换，关键参数包括起始频率（）、终止频率（）、步进频率（）、驻留时间（），各参数满足以下关系：

1. 扫频总步数：
2. 单次扫频周期：

示例计算：当起始频率1kHz、终止频率10kHz、步进频率1kHz、驻留时间1000ms时：

系统按上述参数扫频时，将从1kHz开始，每1秒递增1kHz，直至10kHz完成一次正向扫频，若设置循环扫频则自动切换为反向扫频（从10kHz递减至1kHz）。考虑到AD620的频率限制，扫频频率范围建议设置为≤100kHz，以保证放大后波形无失真。

2.3 放大电路增益计算

AD620作为高精度仪表放大器，增益仅由外部电阻决定，无需额外反馈网络，电路结构简单、稳定性高。其增益计算公式为：

其中，49.9kΩ为芯片内部固定电阻，为外部调节电阻。

本设计需将AD9850输出的0.2V峰峰值正弦波放大至5V峰峰值，所需增益为25倍，代入公式计算外部电阻：

实际选用2.1kΩ、1%精度的金属膜电阻，因电阻偏差导致的增益误差约为0.96%，在允许范围内，可保证输出幅值接近5V峰峰值。

2.4 电源电路参数计算

LM2596模块的输出电压由反馈电阻分压比决定，本设计需输出5.1V，其输出电压公式为：

其中，1.23V为LM2596内部参考电压，为下偏置电阻（选用1kΩ），为上偏置电阻。代入计算：

实际选用3.2kΩ电阻，输出电压约为5.1V，满足AD9850等器件的供电需求。

3、测试结果和效果展示

3.1 频率精度测试

在室温25℃、5.1V核心供电条件下，使用频率计对系统输出频率进行测试，正弦波经AD620放大（≤100kHz），方波直接输出，结果如下表所示：

序号	设定频率	输出波形	实测频率	绝对误差	相对误差	测试结果
1	100Hz	正弦波	100.1Hz	0.1Hz	0.10%	合格
2	1kHz	正弦波	999.8Hz	-0.2Hz	0.02%	合格
3	10kHz	正弦波	9999.5Hz	-0.5Hz	0.005%	合格
4	100kHz	正弦波	100001.0Hz	1.0Hz	0.001%	合格（无失真）
5	200kHz	正弦波	199998.0Hz	-2.0Hz	0.001%	波形失真（类三角波）

测试结果表明，系统频率输出精度高，相对误差均≤0.1%；方波无需放大即可达到≥5V幅值，满足直接使用需求；AD620在≤100kHz频率下放大正弦波无失真，超过100kHz后波形失真，符合其带宽特性。

放大后Vpp大于5V

3.2 扫频功能测试

对不同扫频参数组合进行测试，限定扫频频率范围≤100kHz以保证波形质量，结果如下表所示：

测试场景	起始频率	终止频率	步进频率	驻留时间	预期周期	实际周期	功能验证
低频扫频	1kHz	10kHz	1kHz	1000ms	10s	10.1s	正常
中频扫频	20kHz	80kHz	10kHz	500ms	3s	3.05s	正常
高频扫频	50kHz	100kHz	5kHz	200ms	2s	2.03s	正常
反向扫频	100kHz	10kHz	10kHz	1000ms	9s	9.1s	正常
小步进扫频	10kHz	20kHz	1kHz	100ms	1s	1.02s	正常

测试结果表明，系统扫频功能稳定可靠，实际周期与预期周期误差较小，正向、反向扫频切换流畅，LED指示准确，扫频过程中波形无失真（≤100kHz）。

3.3 系统稳定性测试

考虑到AD9850模块在5.1V供电下长时间工作会发烫，调整连续运行测试时长为30分钟，其他测试项目按标准执行，结果如下表所示：

测试项目	测试时长	通过标准	测试结果	备注
连续扫频运行	30分钟	无死机、频率稳定	通过	AD9850有温热，无过热保护触发
频繁界面切换	30分钟	无卡顿、响应及时	通过	菜单切换响应时间<100ms
温度适应测试	-10~60℃	40℃内稳定工作	通过	高温环境下频率误差略有增大
电压波动测试	10.8~13.2V	工作正常	通过	适应12V±10%电压波动
长时间频率输出	30分钟	频率稳定、无失真	通过	正弦波（10kHz）放大后波形完整

3.4 效果展示

1. PCB与实物效果：嘉立创PCB沉金打样质量良好，布线整齐，焊点饱满，模块布局合理；实物通电后无短路、过热现象，各外设接口正常工作，验证了PCB设计的合理性。

1. 显示效果：OLED屏菜单界面清晰，参数显示准确，差异刷新策略有效避免闪烁，波形显示页面可直观呈现正弦波形态及坐标轴、频率、周期等信息。
2. 操作效果：矩阵键盘响应灵敏，按键消抖处理有效（响应时间<50ms），老人机式导航逻辑易用，参数设置流程简洁，无按键串扰现象。
3. 输出效果：经示波器观测，方波输出幅值≥5V，波形规整；正弦波（≤100kHz）经AD620放大后达到5V峰峰值，无失真；超过100kHz后正弦波失真为类三角波，与AD620带宽限制特性一致。
4. 指示效果：LED灯能准确反映扫频方向与运行状态，流水灯指示流畅，便于用户实时掌握系统工作情况。
5. 详细效果参考本人嘉立创开源项目：开源基于stm32f103c8的ad9850dds模块信号发生器 - 立创开源硬件平台

结论语

本设计成功实现了基于STM32F103C8T6与AD9850的DDS信号发生器，完成了原理图绘制、PCB设计、实物焊接与软件程序开发，达到了预期设计目标。通过嘉立创EDA完成硬件设计，实物运行稳定，验证了模块化硬件架构与合理布线的重要性；采用AD620仪表放大器实现幅值放大，LM2596模块构建稳定电源系统，优化了信号质量与供电可靠性；软件层面采用分层架构与状态机设计，提升了代码可维护性，OLED差异刷新策略解决了闪烁问题。

设计过程中也遇到了诸多问题：如AD620放大高频信号失真、PCB布线导致的信号串扰、AD9850长时间工作发烫等。通过查阅AD620 datasheet、优化PCB布线规则（缩短高频走线、单点接地）、限定连续运行时长等方法，逐一解决了上述问题。测试结果表明，系统频率精度高、操作便捷、稳定性可靠，可满足中低频电子测量场景需求。

同时，本设计仍存在可改进之处：硬件方面可增加AD9850散热片、优化PCB电源层布局以降低发热，添加输出保护电路避免过载损坏；软件方面可新增频率存储与调用功能、多波形输出（三角波、锯齿波）、等功能；用户体验方面可添加蜂鸣器按键提示音、蓝牙遥控调节等功能。未来将继续优化设计，提升系统的实用性与扩展性。

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1. 核心硬件：“控制核心 + 信号生成核心” 的组合

• STM32F103C8：作为 “大脑”，负责用户交互（如按键、显示屏控制）、参数计算（如目标频率、相位的数字指令）、以及向 AD9850 发送控制信号（通过 SPI 或并行接口）；其优势是成本低、资源够用（自带 SPI、GPIO 等接口，满足控制需求），是开源项目中常用的入门级 MCU。
• AD9850：作为 “信号生成器”，是 DDS（直接数字频率合成）技术的核心载体 —— 接收 STM32 发送的数字指令（频率、相位、幅度控制字），通过内部的数字累加器、相位 / 幅度查找表（ROM）、数模转换器（DAC），直接生成稳定的正弦波（或经处理后生成方波、三角波）；其关键参数是 “最高时钟 125MHz”，理论可生成 0~62.5MHz 的正弦波，满足低频到中频的信号需求。
• 外围辅助电路：包括 AD9850 的时钟电路（如 125MHz 晶振，决定信号精度）、STM32 的供电 / 复位电路、信号输出调理电路（如运放放大、滤波，优化输出信号的纯度）、用户交互模块（如按键调参、OLED 屏显频率）。

2. 工作原理：“数字指令→模拟信号” 的转化流程

1. 用户输入与参数计算：用户通过按键设定目标频率（如 1kHz），STM32 接收指令后，根据 AD9850 的 DDS 公式（频率控制字 = 目标频率 ×2^32 / 参考时钟频率），计算出对应的 “频率控制字”（32 位数字量，决定输出频率精度）。
2. 指令传输：STM32 通过 SPI 接口（或并行接口，开源项目中 SPI 更常用，接线更简洁），将 “频率控制字”“相位控制字”（调节信号相位偏移）发送给 AD9850。
3. DDS 信号合成：AD9850 内部：
   • 数字累加器根据 “频率控制字” 累加，生成实时相位值；
   • 相位值索引内部的 “正弦波查找表”，输出对应相位的数字幅度值；
   • 数字幅度值经内部 DAC 转换为 “模拟正弦波”；
4. 信号输出与调理：AD9850 输出的原始模拟信号可能存在噪声或幅度不足，经外围滤波（如低通滤波，滤除高频杂波）、运放放大后，最终输出稳定、纯净的目标频率信号（如 1kHz 正弦波）。