-基于A(yíng)D9854的阻抗測(cè)量系統(tǒng)的研制摘要阻抗是元件的固有屬性，是電路中的基本參數(shù)，它是一個(gè)復(fù)數(shù)值，測(cè)量環(huán)境的變化，信號(hào)源幅值和頻率的變化都會(huì)影響到阻抗的測(cè)量結(jié)果。這里設(shè)計(jì)了一種在不同頻率下，得出阻抗大小的測(cè)量系統(tǒng)。本系統(tǒng)以DDS芯片AD9854為核心，能提供頻率相同的可調(diào)控大小的信號(hào)源，采用雙差分減法器從而實(shí)現(xiàn)了阻抗到電壓的轉(zhuǎn)換，為了有效的抑制噪聲干擾，采用了雙相鎖定放大器。同步信號(hào)源0°參考信號(hào)為阻抗轉(zhuǎn)換電路提供驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)乘法器MLT04，分別和同步信號(hào)源的0°和90°參考信號(hào)相乘，實(shí)現(xiàn)了阻抗的虛、實(shí)部分離，兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后，用兩路AD同時(shí)進(jìn)行采集，得到被測(cè)對(duì)象的阻抗值。其中，本系統(tǒng)運(yùn)用STM32F103ZET6微處理器完成對(duì)同步正交信號(hào)源的控制、AD的采集、對(duì)阻抗的計(jì)算、液晶顯示測(cè)試結(jié)果。STM32官方固件庫(kù)，降低了軟件開(kāi)發(fā)周期和難度，并增大了其可維護(hù)性。最后，運(yùn)用一階RC低通濾波器，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，在不同頻率下得出其測(cè)量值和誤差率。實(shí)驗(yàn)表明，在同一環(huán)境下，測(cè)量結(jié)果精確，自動(dòng)化程度高，抗干擾能力強(qiáng)。關(guān)鍵詞：阻抗測(cè)量；AD9854；STM32F103ZET6ThedevelopmentoftheimpedancemeasurementsystembasedonAD9854AbstractImpedanceisinherentattributeoftheelement,isthebasicparametersofthecircuit,itisacomplexnumber,measuringchangesintheenvironment,thechangeofsignalamplitudeandfrequencywillaffecttheimpedancemeasurements.Hereunderdifferentfrequenciesinadesign,itisconcludedthatthesizeoftheimpedancemeasurementsystem.BasedonDDSchipAD9854,thissystemcanprovidethesamefrequencycancontrolthesizeofthesource,usingdoubledifferencesubtractersoastorealizethetransformationoftheresistancetovoltage,inordertoeffectivelysuppressnoise,adoptthedualphaselock-inamplifier.Referencesignalsynchronizationsignalsource0°provideimpedanceconvertingcircuitwithdrive,conversionvoltagesignalafteramultiplierMLT04,andsynchronoussignalsourceof0°and90°respectivelyreferencesignalmultiplication,implementsthevirtualandrealpartofimpedance,two-waysignalafterlowpassfilter,withtwowayADarecollectedatthesametime,gettheimpedancevalueoftheobject.Amongthem,tosynchronizetothesystemusingmicroprocessorSTM32F103ZET6orthogonalsignalsourcecontrol,ADsampling,calculationofimpedance,liquidcrystaldisplaythetestresults.OfficialSTM32firmwarelibrary,reducesthesoftwaredevelopmentcycleandthedifficulty,andincreasingitsmaintainability.Finally,usingthefirst-orderRClow-passfilter,toverifythissystem,itisconcludedthatthemeasuredvaluesunderdifferentfrequencyandtheerrorrate.Theexperimentalresultsshowthatunderthesameenvironment,accuratemeasurementresults,highautomationdegree,stronganti-jammingcapability.Keywords：Theimpedancemeasurement;AD9854;STM32F103ZET6第1章緒論1.1研究目的和意義阻抗是電路中電阻，電感，電容對(duì)交流電的阻礙作用的總稱(chēng)。它是元件的固有屬性，是各種材料及元件與電學(xué)聯(lián)系的基本參數(shù)。阻抗是復(fù)數(shù)，通常以相量來(lái)表示。隨著電子科學(xué)的進(jìn)步，阻抗測(cè)量技術(shù)得到了更深入的發(fā)展，從上世紀(jì)80年代開(kāi)始擴(kuò)展到生物醫(yī)學(xué)，電化學(xué)，電力控制等領(lǐng)域，如目前在電化學(xué)領(lǐng)域[1]，通過(guò)檢測(cè)豆?jié){凝固過(guò)程中其溫度和電阻抗的變化，在線(xiàn)判斷豆腐的凝固終點(diǎn)；生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[2,3]，可通過(guò)監(jiān)測(cè)肌肉組織的阻抗及其電阻率的變化以監(jiān)測(cè)組織堵塞或組織萎縮的程度；通過(guò)對(duì)細(xì)胞的阻抗特性測(cè)量得到細(xì)胞的生理特征等；在電力控制領(lǐng)域[4,5]，通過(guò)快速測(cè)量電力線(xiàn)的輸入阻抗、調(diào)節(jié)有源濾波器，可防止電網(wǎng)發(fā)生振蕩，保證電力傳輸?shù)馁|(zhì)量等；由于電子元器件的發(fā)展，使得元器件越來(lái)越小，頻率越來(lái)越高，需要在應(yīng)用中實(shí)時(shí)反映出阻抗變化，因此，設(shè)計(jì)一款測(cè)量精度高，量程大，寬頻帶，能耗低的阻抗測(cè)量?jī)x很有實(shí)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)于當(dāng)今的電子工業(yè)而言，無(wú)論從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)還是到對(duì)問(wèn)題的處理解決方案，測(cè)量技術(shù)都是至關(guān)重要的一環(huán)。我們可以知道，國(guó)際上監(jiān)測(cè)儀器儀表技術(shù)和阻抗測(cè)量理論經(jīng)歷了以下三個(gè)階段[6]：第一階段測(cè)量技術(shù)主要是采用模擬式測(cè)量技術(shù)；第二階段，數(shù)字式儀表代替模擬式儀表，在這一階段，以微計(jì)算機(jī)、獨(dú)立操作系統(tǒng)、各種標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)為特征，可互相通訊、擴(kuò)展式儀器和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及相應(yīng)測(cè)量技術(shù)得到快速發(fā)展，并逐步走向成熟；第三階段，大規(guī)模集成電路技術(shù)的應(yīng)用，使控制芯片運(yùn)算能力大大增強(qiáng)，體積大幅度縮小，可以方便地植入儀器內(nèi)部，從而使儀器具有判斷、控制、存儲(chǔ)、運(yùn)算甚至更高的智能化特性。國(guó)際著名的測(cè)量企業(yè)諸如：Fluke、Keithley、Wayne-Kerr、Agilent（原HP儀器）、等在DSP算法的數(shù)字測(cè)量方面取得了一定的進(jìn)展。如：2006年推出E4980A(20Hz~2MHz）精密阻抗測(cè)量?jī)x，具有出色的精度和可重復(fù)性。惠普的HP4274A其頻率范圍從100Hz到100kHz共13個(gè)可選頻率測(cè)試點(diǎn)。測(cè)試電壓范圍為1mV～5V,

適應(yīng)于電路設(shè)計(jì)、產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)、質(zhì)量檢查多方面測(cè)量要求,適用于工程測(cè)量，缺憾是價(jià)格昂貴。這些儀器均以數(shù)字信號(hào)處理算法為核心，電路緊湊、對(duì)比傳統(tǒng)儀器，它在測(cè)量帶寬、測(cè)量量程、測(cè)量精度以及性?xún)r(jià)比都有大幅提高。在國(guó)內(nèi)，研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)發(fā)了一些全自動(dòng)阻抗測(cè)量?jī)x，如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)量頻帶寬，精度大，但在功能上、實(shí)用化方面均未達(dá)到理想效果，大多數(shù)廠(chǎng)家采用的是單片機(jī)結(jié)構(gòu)，這些儀器性能單一，通用性和擴(kuò)展性差，開(kāi)發(fā)和維護(hù)相對(duì)復(fù)雜，已不能滿(mǎn)足市場(chǎng)的要求。1.3本文的研究?jī)?nèi)容本文以阻抗測(cè)量為基礎(chǔ)，綜述了阻抗測(cè)量的幾種基本方法，即電橋法、諧振法、電壓電流法、RF電壓電流法、網(wǎng)絡(luò)分析儀法和自動(dòng)平衡電橋法，每一種方法都有不同的頻率范圍，測(cè)量范圍也受到限制；本研究是運(yùn)用帶微處理器STM32的數(shù)字式阻抗測(cè)量系統(tǒng)將阻抗參數(shù)虛、實(shí)部分分離測(cè)量；同時(shí)利用DDS芯片AD9854提供同步信號(hào)源，使阻抗測(cè)量具有了快速、多功能、寬量限、多頻率使用的優(yōu)點(diǎn)，因此，本文使用軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了阻抗的自動(dòng)測(cè)量。以下是本文的結(jié)構(gòu)安排第一章，介紹了本研究的研究目的及意義，綜述了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了現(xiàn)存問(wèn)題的解決方法。第二章，理論分析阻抗測(cè)量中幾種常用方法，電橋法、諧振法、電壓電流法、RF電壓電流法、網(wǎng)絡(luò)分析儀法和自動(dòng)平衡電橋法，闡述了其基本原理及優(yōu)缺點(diǎn)。第三章，主要介紹了本研究系統(tǒng)的架構(gòu)，原理，以及控制器的選擇與實(shí)現(xiàn)。第四章，綜合闡述了DDS同步信號(hào)源的原理及在本研究中的應(yīng)用以及AD9854芯片的連接及其功能的實(shí)現(xiàn)。第五章，主要是本研究?jī)?nèi)容軟件部分的設(shè)計(jì)，其中分別對(duì)各個(gè)部分的功能實(shí)現(xiàn)配置了相應(yīng)的程序。充分利用了STM32固件庫(kù)。第六章，對(duì)本研究進(jìn)行了總結(jié)與展望。1.4本章小結(jié)本章主要從研究背景和意義以及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀闡述了設(shè)計(jì)一款實(shí)用型阻抗測(cè)量?jī)x的必要性和可行性。提出了一種以AD9854芯片和STM32處理器為核心的阻抗測(cè)量體系研究方案，實(shí)現(xiàn)阻抗自動(dòng)測(cè)量。第2章阻抗的測(cè)量理論和方法2.1阻抗定義及測(cè)量原理2.1.1阻抗理論阻抗是電路中的電阻、電感、電容對(duì)交流電的阻礙作用的統(tǒng)稱(chēng)。阻抗衡量在電路中流動(dòng)的交流電所遇到的阻礙。阻抗將電阻的概念加以延伸至交流電路領(lǐng)域，不僅描述電壓與電流的相對(duì)振幅，也描述其相對(duì)相位。當(dāng)通過(guò)電路的電流是直流電時(shí)，電阻與阻抗相等，電阻可以視為相位為零的阻抗。圖2-1阻抗定義圖圖2-2阻抗矢量圖阻抗是表征一個(gè)元器件或電路中電壓、電流關(guān)系的復(fù)數(shù)特征量，用公式表示為導(dǎo)納Y是阻抗Z的倒數(shù)，即2.1.2阻抗元件的R、L、C特征可知電感線(xiàn)圈、電容器、電阻器的實(shí)際阻抗隨各種因素而變化，它是動(dòng)態(tài)量，在不同條件下，反映出來(lái)的特征各不相同。元件的影響因素測(cè)試信號(hào)頻率：電子元件都與信號(hào)頻率有相關(guān)性，其影響與寄存參數(shù)有關(guān)。測(cè)試信號(hào)電平：某些元件對(duì)電平變化敏感性強(qiáng)，如高介電常數(shù)和高導(dǎo)磁率元件。直流偏置電壓和電流：偏置電壓或電流的不同會(huì)導(dǎo)致元件參數(shù)的變化。溫度：溫度系數(shù)是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)其它影響因素（環(huán)境，溫度，老化等）以下列舉其頻率響應(yīng)圖2-3電阻器的頻率響應(yīng)圖2-4電感器的頻率響應(yīng)圖2-5電容器的頻率響應(yīng)2.2阻抗的測(cè)量方法2.2.1電橋法圖2-6電橋法測(cè)量原理圖電橋法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍高精度（0.1%典型值）使用不同電橋可得到寬頻率范圍價(jià)格低需要手動(dòng)平衡單臺(tái)儀器的頻率覆蓋范圍較窄頻率范圍：DC-300MHz2.2.2諧振法圖2-7諧振法測(cè)量原理圖原理改變電容C直到電路諧振諧振時(shí)XL=XC僅有RX存在諧振法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍可測(cè)很高的Q值需要調(diào)諧到諧振阻抗測(cè)量精度低頻率范圍：10KHz-70MHz2.2.3電壓電流法圖2-8電壓電流法測(cè)量原理圖原理由測(cè)量的電壓值和電流值計(jì)算被測(cè)阻抗ZX電流通過(guò)它所流經(jīng)的RS上的電壓計(jì)算電壓電流法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍可測(cè)量接地器件適合于探頭類(lèi)測(cè)試需要使用簡(jiǎn)單工作頻率范圍受使用探頭的變壓器的限制頻率范圍：10KHz-100MHz2.2.4RF電壓電流法圖2-9低阻抗類(lèi)型圖2-10高阻抗類(lèi)型射頻電壓電流法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍高精度（0.1%典型值）高頻下的寬阻抗范圍工作頻率范圍受使用探頭的變壓器的限制頻率范圍：1MHz-3GHz2.2.5自動(dòng)平衡電橋法圖2-11自動(dòng)平衡電橋法原理圖原理通過(guò)DUT的電流也通過(guò)電阻R“L”點(diǎn)的電位保持為0V（稱(chēng)為虛地）自動(dòng)平衡電橋法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍高精度（0.05%典型值）很寬的測(cè)量范圍使用簡(jiǎn)單不能適應(yīng)更高的頻率范圍頻率范圍：20Hz-110MHz2.2.6網(wǎng)絡(luò)分析法圖2-12網(wǎng)絡(luò)分析法原理圖原理通過(guò)測(cè)量輸入信號(hào)與反射信號(hào)之比得到反射系數(shù)用定向耦合器或電橋檢測(cè)反射信號(hào)用網(wǎng)絡(luò)分析儀提供激勵(lì)并測(cè)量響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)分析法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍高頻率范圍當(dāng)被測(cè)阻抗接近特征阻抗時(shí)得到高精度改變測(cè)量頻率需要重新校準(zhǔn)阻抗測(cè)量范圍窄頻率范圍：300KHz-3GHz2.3本章小結(jié)本章介紹了幾種常用阻抗測(cè)量方法的原理，每一種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，首先必須考慮測(cè)量的要求和條件，然后選擇最適合的方法，需要考慮的因素包括頻率覆蓋范圍、測(cè)量量程、測(cè)量精度和操作的方便性。第3章阻抗測(cè)量?jī)x的整體設(shè)計(jì)3.1STM32官方固件庫(kù)簡(jiǎn)介STM32固件函數(shù)庫(kù)是一個(gè)固件函數(shù)包，它由程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏組成，包括了微控制器所有外設(shè)的性能特征。該函數(shù)庫(kù)還包括每一個(gè)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)描述和應(yīng)用實(shí)例。通過(guò)使用固件函數(shù)庫(kù)，無(wú)需深入掌握細(xì)節(jié)，也可以輕松應(yīng)用每一個(gè)外設(shè)。每個(gè)外設(shè)驅(qū)動(dòng)都由一組函數(shù)組成，這組函數(shù)覆蓋了該外設(shè)所有功能。每個(gè)器件的開(kāi)發(fā)都由一個(gè)通API(applicationprogramminginterface應(yīng)用編程界面)驅(qū)動(dòng)，API對(duì)該驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)，函數(shù)和參數(shù)名稱(chēng)都進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。固件庫(kù)其實(shí)就是函數(shù)的集合，可以與寄存器直接關(guān)聯(lián)，為用戶(hù)提供調(diào)用函數(shù)的接口。但是這種方法的劣勢(shì)是需要去掌握每個(gè)寄存器的用法，才能正確使用STM32，而對(duì)于STM32這種級(jí)別的MCU，數(shù)百個(gè)寄存器記起來(lái)又是談何容易。于是ST推出了官方固件庫(kù)，固件庫(kù)將這些寄存器底層操作都封裝起來(lái)，提供一整套接口供開(kāi)發(fā)者調(diào)用，大多數(shù)場(chǎng)合下，不需要去知道操作的是哪個(gè)寄存器，只需要知道調(diào)用哪些函數(shù)即可。3.2系統(tǒng)阻抗測(cè)量原理圖3-1阻抗測(cè)量原理圖如圖3-1所示,信號(hào)源給出一定頻率和電壓的信號(hào)，經(jīng)過(guò)被測(cè)元件Zx，采集通過(guò)元件的電壓Ez；流經(jīng)Zx的電流經(jīng)過(guò)Rz轉(zhuǎn)換為電壓，測(cè)得為Eo。Ez、Eo最后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換傳送至CPU，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理，得到相應(yīng)的阻抗參數(shù)。由前可知阻抗是復(fù)數(shù)，故有：Z由圖可知ZE故可知Z令E帶入可得Z比較可以推出R所以我們知道，只需要測(cè)得V1,V2，V3，V4，的值即可以算出Rx和Xx的值，求得阻抗。根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)由7部分組成：同步信號(hào)源，阻抗/電壓變換電路，放大電路，濾波電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，STM32模塊，顯示模塊,如圖3-1。通過(guò)STM32進(jìn)行AD采集，將測(cè)量結(jié)果顯示在液晶屏上。其中，同步信號(hào)源由STM32控制直接數(shù)字頻率合成器（DDS）芯片AD9854,產(chǎn)生同步正交信號(hào)，作為信號(hào)源通過(guò)放大電路對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行放大，從而減小失真，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)的切換，測(cè)量阻抗的幅值和相位。圖3-2測(cè)量系統(tǒng)原理圖實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，外部環(huán)境的噪聲和電磁波會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響，這類(lèi)影響大多屬于共模干擾，我們可知差分運(yùn)算放大器能抑制這種干擾，自適應(yīng)濾波也可以有效降低噪聲和諧波的負(fù)作用。因此，需要對(duì)干擾設(shè)置相應(yīng)的電路。圖3-3是能有效抑制干擾的電路圖，其中一組頻率相同的正交信號(hào)乘以通過(guò)鎖定放大器放大后的電信號(hào)，再把阻抗的幅值和相位分開(kāi)，同時(shí)用雙差分減法器完成阻抗和電壓的相互轉(zhuǎn)換，然后用STM32完成A/D采集，實(shí)現(xiàn)阻抗測(cè)量圖3-3阻抗-電壓轉(zhuǎn)換圖圖3-4鎖定放大器框圖途中，DDS負(fù)責(zé)信號(hào)的發(fā)送，Vsin和Vcos的頻率相同，相位相差90度，由DDS應(yīng)用知，對(duì)于Vsin的頻率和相位可進(jìn)行編程。由STM32對(duì)DDS進(jìn)行編程和控制。鎖定放大器經(jīng)過(guò)乘法器的實(shí)現(xiàn)，其輸出通過(guò)低通濾波器即可得到與阻抗幅值和相位相關(guān)的信息，Vr為R5的兩端的電壓，通過(guò)Z的電流與R5的相等。i=3個(gè)儀表放大器AD620的增益分別為K1，K2，K3V代入上式得VV其中C=RV若已知Vsin，測(cè)出V0的值就可以測(cè)得阻抗值Z。同時(shí)需要減少干擾，采用了雙相鎖定放大器來(lái)測(cè)量V0的幅值和相位。通過(guò)一組幅值，頻率相同的正交信號(hào)與被測(cè)信號(hào)Vo相乘，f為乘法器常數(shù)，|Vrel|是正交信號(hào)的幅值。VVV1,V2是直流信號(hào)，用STM32的AD采集，通過(guò)上述兩公式可以求出V0的幅值和相位φV0=由圖3-4,分別設(shè)正交信號(hào)為K1sinwt和K2sinwt,設(shè)經(jīng)過(guò)阻抗變換輸出的信號(hào)為A2sin(wt+φ1),它分別和K1sinwt、KKK進(jìn)過(guò)濾波后剩下直流分量K1K2φ3.3STM32主控制器3.3.1關(guān)于STM32F103ZET6微控制器的相關(guān)介紹STM32F103ZET6增強(qiáng)型微處理器具有32位基于A(yíng)RM核心的帶512K字節(jié)閃存的微控制器USB、CAN、11個(gè)定時(shí)器、3個(gè)ADC、13個(gè)通信接口。使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線(xiàn)的外設(shè)。包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。STM32F103ZET6工作于-40°C至+105°C的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求[7]。功能■內(nèi)核：ARM32位的Cortex?-M3CPU?72MHz，1.25DMips/MHz（Dhrystone2.1），0等待周期的存儲(chǔ)器?單周期乘法和硬件除法■存儲(chǔ)器?從32K字節(jié)至128K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器?從6K字節(jié)至20K字節(jié)的SRAM■時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理?2.0至3.6伏供電和I/O管腳?上電/斷電復(fù)位(POR/PDR)、可編程電壓監(jiān)測(cè)器(PVD)?內(nèi)嵌4至16MHz高速晶體振蕩器?內(nèi)嵌經(jīng)出廠(chǎng)調(diào)校的8MHz的RC振蕩器?內(nèi)嵌40kHz的RC振蕩器?PLL供應(yīng)CPU時(shí)鐘?帶校準(zhǔn)功能的32kHzRTC振蕩器■低功耗?睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式?VBAT為RTC和后備寄存器供電■2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1us轉(zhuǎn)換時(shí)間(16通道)?轉(zhuǎn)換范圍：0至3.6V?雙采樣和保持功能?溫度傳感器■DMA?7通道DMA控制器?支持的外設(shè)：定時(shí)器、ADC、SPI、I2C和USART■多達(dá)80個(gè)快速I(mǎi)/O口?26/37/51/80個(gè)多功能雙向5V兼容的I/O口?所有I/O口可以映像到16個(gè)外部中斷■調(diào)試模式?串行線(xiàn)調(diào)試(SWD)和JTAG接口■多達(dá)7個(gè)定時(shí)器?多達(dá)3個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道?16位6通道高級(jí)控制定時(shí)器?多達(dá)6路PWM輸出?死區(qū)控制、邊緣/中間對(duì)齊波形和緊急制動(dòng)?2個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器(獨(dú)立的和窗口型的)?系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器：24位自減型■多達(dá)9個(gè)通信接口?多達(dá)2個(gè)I2C接口(SMBus/PMBus)?多達(dá)3個(gè)USART接口，支持ISO7816，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制?多達(dá)2個(gè)SPI同步串行接口(18兆位/秒)?CAN接口(2.0B主動(dòng))?USB2.0全速接口■ECOPACK?封裝（兼容RoHS）ARM的Cortex-M3處理器是最新一代的嵌入式ARM處理器，它為實(shí)現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺(tái)、縮減的管腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時(shí)提供卓越的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。ARM的Cortex-M3是32位的RISC處理器，提供額外的代碼效率，在通常8和16位系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間上得到了ARM核心的高性能。3.3.2STM32連接為了讀圖方便，系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)采用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符。系統(tǒng)主控制器STM32部分原理圖，如圖3.5所示。由圖中可知，在采用并行傳輸模式下，STM32的PA.0-PA.7管腳和AD9854的8位并行雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)相連，控制器通過(guò)這些雙向的數(shù)據(jù)線(xiàn)，向?qū)?yīng)AD9854寄存器中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，完成對(duì)AD9854的初始化，幅值、頻率和相位的改變；PG.0-PG.5連接AD9854的地址線(xiàn)，通過(guò)地址線(xiàn)的改變，給出相應(yīng)內(nèi)部寄存器的地址；PC.0-PC.7與AD9854的控制和狀態(tài)信號(hào)相連，如：時(shí)鐘更新信號(hào)、讀信號(hào)、寫(xiě)信號(hào)、讀數(shù)據(jù)或者寫(xiě)數(shù)據(jù)信號(hào)、連接方式選擇信號(hào)，依據(jù)AD9854的讀寫(xiě)時(shí)序，控制這些信號(hào)的狀態(tài)，才能熟悉并正確使用的此DDS芯片。PA.9、PA.10接串口芯片MAX3232的收、發(fā)信號(hào)，預(yù)留串口主要是為系統(tǒng)調(diào)試做準(zhǔn)備的。PB.0、PB.1是兩路的AD采集通道，分別對(duì)阻抗幅值和相位進(jìn)行測(cè)量，PB.0是ADC12_IN8通道，PB.1是ADC12_IN9通道。PA.8是按鍵的接口，控制著同步信號(hào)源頻率的改變。PF.6是LED的接口，是系統(tǒng)運(yùn)行的指示燈。FSMC_D0-FSMC_D15是FSMC總線(xiàn)的數(shù)據(jù)線(xiàn)，F(xiàn)SMC_A0是地址線(xiàn)，他們用來(lái)驅(qū)動(dòng)LCD。地址線(xiàn)選了FSMC_A0，則LCD數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基地址設(shè)為：u32(0x6C000000|0x00000000)。地址建立時(shí)間、數(shù)據(jù)建立時(shí)間、地址保持時(shí)間，是FSMC主要的3個(gè)時(shí)間參數(shù)。圖3.5STM32連接圖3.3.3STM32對(duì)AD的采集STM32的ADC有18個(gè)通道，包括對(duì)內(nèi)部信號(hào)源測(cè)量的2個(gè)通道和對(duì)外部信號(hào)源測(cè)量的16個(gè)通道，它屬于逐次逼近型的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換的模式有四種分別是：?jiǎn)未巍呙琛⑦B續(xù)、和間斷模式。ADC采集的結(jié)果，存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中，有左對(duì)齊和右對(duì)齊兩中對(duì)齊方式。STM32的ADC最大的轉(zhuǎn)換速率為1Mhz，也就是轉(zhuǎn)換時(shí)間為1us，不要讓ADC的時(shí)鐘超14M，否則將導(dǎo)致結(jié)果準(zhǔn)確度下降。涉及到AD采集時(shí)，就有必要提及DMA（DirectMemoryAccess，即直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)）方式。DMA是用來(lái)提供在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)模瑢?shù)據(jù)從一個(gè)地址空間復(fù)制到另外一個(gè)地址空間。DMA傳輸對(duì)于高效能嵌入式系統(tǒng)算法和網(wǎng)絡(luò)是很重要的。DMA傳輸方式無(wú)需CPU直接控制傳輸，也沒(méi)有中斷處理方式那樣保留現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程，通過(guò)硬件為RAM與I/O設(shè)備開(kāi)辟一條直接傳送數(shù)據(jù)的通路，能使CPU的效率大為提高，節(jié)約了CPU的資源[8,9]。STM32同時(shí)采兩路AD的值，根據(jù)采集AD的值，計(jì)算出所求阻抗的幅值和相位，AD模塊的硬件電路，如圖3.6所示。圖3-6采集模塊電路圖3.4系統(tǒng)的串口通訊串口通信(SerialCommunication)，是指外設(shè)和計(jì)算機(jī)間，通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)線(xiàn)、地線(xiàn)、控制線(xiàn)等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。對(duì)于兩個(gè)進(jìn)行通信的端口，這些參數(shù)必須匹配[10,11]。（1）波特率：這是一個(gè)衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的位的個(gè)數(shù)。例如300波特表示每秒鐘發(fā)送300個(gè)位。通常電話(huà)線(xiàn)的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是GPIB設(shè)備的通信。（2）數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)信息包，實(shí)際的數(shù)據(jù)不會(huì)是8位的，標(biāo)準(zhǔn)的值是6、7和8位。如何設(shè)置取決于你想傳送的信息。比如，標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼是0～127（7位）。擴(kuò)展的ASCII碼是0～255（8位）。如果數(shù)據(jù)使用簡(jiǎn)單的文本（標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼），那么每個(gè)數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。每個(gè)包是指一個(gè)字節(jié)，包括開(kāi)始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。由于實(shí)際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語(yǔ)“包”指任何通信的情況。[2]（3）停止位：用于表示單個(gè)包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線(xiàn)上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。（4）奇偶校驗(yàn)位：在串口通信中一種簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)方式。有四種檢錯(cuò)方式：偶、奇、高和低。當(dāng)然沒(méi)有校驗(yàn)位也是可以的。對(duì)于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口會(huì)設(shè)置校驗(yàn)位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對(duì)于偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個(gè)。如果是奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位為1，這樣就有3個(gè)邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單置位邏輯高或者邏輯低校驗(yàn)。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有機(jī)會(huì)判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。設(shè)計(jì)串口電路如下圖圖3-7串口連接電路3.5阻抗測(cè)試儀按鍵與顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，LED閃爍，作為系統(tǒng)是否正在運(yùn)行的判斷。本系統(tǒng)是通過(guò)按鍵，改變同步信號(hào)源的頻率，完成在不同頻率下，對(duì)阻抗的測(cè)量。系統(tǒng)的按鍵以及LED的連接電路，如圖3.8所示。圖3-8按鍵與LED電路3.6STM32對(duì)晶顯示的控制3.6.1TFT-LCD概述及與STM32的連接TFT(ThinFilmTransistor)LCD即薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管LCD，是有源矩陣類(lèi)型液晶顯示器(AM-LCD)中的一種。與無(wú)源TN-LCD、STN-LCD的簡(jiǎn)單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個(gè)象素上都設(shè)置有一個(gè)薄膜晶體管，可以對(duì)屏幕上的各個(gè)獨(dú)立的像素進(jìn)行控制，即主要控制各個(gè)像素顯示相應(yīng)的顏色。能有效地克服，沒(méi)有選通時(shí)的串?dāng)_，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線(xiàn)數(shù)無(wú)關(guān)，因此大大提高了圖像質(zhì)量。TFT液晶為每個(gè)像素都設(shè)有一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，每個(gè)像素都可提高了顯示屏的反應(yīng)速度，同時(shí)可以精確控制顯示色階，所以TFT液晶的色彩更真。液晶顯示模塊與STM32的連接線(xiàn)圖如圖3-9所示從圖中可以看出，TFT-LCD模塊采用16位的并行方式與外部連接，因?yàn)椴势恋臄?shù)據(jù)量比較大，選擇16位的接口，能夠提高運(yùn)行的速度。TFT-LCD模塊，其驅(qū)動(dòng)芯片有很多種類(lèi)型，本設(shè)計(jì)選用的LCD控制器是ILI9320，它是一款帶有262144種顏色的單芯片SoC驅(qū)動(dòng)的晶體管顯示器，320×240的分辨率，包括720路源極驅(qū)動(dòng)以及320路的柵極驅(qū)動(dòng)，自帶有顯存，容量為172800字節(jié)。該模塊的接口有如下一些信號(hào)線(xiàn)：CS：TFTLCD片選信號(hào)。WR：向TFTLCD寫(xiě)入數(shù)據(jù)。RD：從TFTLCD讀取數(shù)據(jù)。D[15：0]：16位雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)。RST：硬復(fù)位TFTLCD。RS：命令/數(shù)據(jù)標(biāo)志（0，讀寫(xiě)命令；1，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)）。圖3-9TFTLCD與STM32接口定義圖3.6.2關(guān)于FSMC的介紹FSMC(FlexibleStaticMemoryController，可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器)是STM32系列采用一種新型的存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)。在外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需要，方便地進(jìn)行不同類(lèi)型大容量靜態(tài)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展[12]。FSMC是STM32系列中內(nèi)部集成256KB以上FlaSh，后綴為xC、xD和xE的高存儲(chǔ)密度微控制器特有的存儲(chǔ)控制機(jī)制。之所以稱(chēng)為“可變”，是由于通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器的設(shè)置，F(xiàn)SMC能夠根據(jù)不同的外部存儲(chǔ)器類(lèi)型，發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)/地址/控制信號(hào)類(lèi)型以匹配信號(hào)的速度，從而使得STM32系列微控制器不僅能夠應(yīng)用各種不同類(lèi)型、不同速度的外部靜態(tài)存儲(chǔ)器，而且能夠在不增加外部器件的情況下同時(shí)擴(kuò)展多種不同類(lèi)型的靜態(tài)存儲(chǔ)器，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)存儲(chǔ)容量、產(chǎn)品體積以及成本的綜合要求。具有下列優(yōu)勢(shì)（1）支持多種靜態(tài)存儲(chǔ)器類(lèi)型，（2）支持豐富的存儲(chǔ)操作方法（3）支持同時(shí)擴(kuò)展多種存儲(chǔ)器（4）支持更為廣泛的存儲(chǔ)器型號(hào)（5）支持代碼從FSMC擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器中直接運(yùn)行，而不需要首先調(diào)入內(nèi)部SRAM。它的基本原理是：信號(hào)是通過(guò)AHB總線(xiàn)，傳輸給外部設(shè)備的，F(xiàn)SMC的作用是把信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合外部設(shè)備時(shí)序的控制/地址/數(shù)據(jù)信號(hào)，然后控制外設(shè)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過(guò)唯一的一個(gè)片選信號(hào)區(qū)分，F(xiàn)SMC輸出的地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)到底驅(qū)動(dòng)控制那個(gè)外部的存儲(chǔ)器。FSMC在任一時(shí)刻只訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)外部設(shè)備。具有靜態(tài)存儲(chǔ)器接口的器件有：靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、NORFLASH、NANDFLASH、PSRAM。本系統(tǒng)用到的TFTLCD就是用的FSMC_NE4做片選，其實(shí)就是將TFTLCD當(dāng)成SRAM來(lái)控制。TM32的FSMC支持8/16/32位數(shù)據(jù)寬度，我們這里用到的LCD是16位寬度的,所以在設(shè)置的時(shí)候，選擇16位寬[13]。我們?cè)賮?lái)看看FSMC的外部設(shè)備地址映像，STM32的FSMC將外部存儲(chǔ)器劃分為固定大小為256M字節(jié)的四個(gè)存儲(chǔ)塊，如圖3-10所示。圖3.10FSMC存儲(chǔ)塊模塊地址映像從圖可以看出FSMC管理1GB的映射地址空間。該空間劃分為4個(gè)大小為256MB的BANK，每個(gè)BANK又劃分為4個(gè)64MB的子BANK，如表1所列。FSMC的2個(gè)控制器管理的映射地址空間不同。NORFlash控制器管理第1個(gè)BANK，NAND/PCCard控制器管理第2～4個(gè)BANK。由于兩個(gè)控制器管理的存儲(chǔ)器類(lèi)型不同，擴(kuò)展時(shí)應(yīng)根據(jù)選用的存儲(chǔ)設(shè)備類(lèi)型確定其映射位置。其中，BANK1的4個(gè)子BANK擁有獨(dú)立的片選線(xiàn)和控制寄存器，可分別擴(kuò)展一個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)設(shè)備，而B(niǎo)ANK2～BANK4只有一組控制寄存器[14]。3.7本章小結(jié)本章主要介紹阻抗測(cè)量系統(tǒng)的基本原理和方法，設(shè)計(jì)出抗干擾能力強(qiáng)的阻抗電壓轉(zhuǎn)換電路，核心由差分放大器和鎖定放大器組成。以及各部分的的使用原理，重點(diǎn)闡述了STM32控制器的組成與應(yīng)用。給出了主控制器與各模塊的連接電路。第4章DDS同步信號(hào)源4.1DDS簡(jiǎn)介4.1.1DDS的發(fā)展與現(xiàn)狀DDS同DSP（數(shù)字信號(hào)處理）一樣，是一項(xiàng)關(guān)鍵的數(shù)字化技術(shù)。DDS是直接數(shù)字式頻率合成器（DirectDigitalSynthesizer）的英文縮寫(xiě)。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用在電信與電子儀器領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備全數(shù)字化的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。DDS是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的頻率合成技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)帶寬很大，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短（可小于20ns），頻率分辨率很高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)可調(diào)，且頻率、相位和幅度均可實(shí)現(xiàn)程控。DDS能夠與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合在一起，克服了模擬頻率合成和鎖相頻率合成等傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)電路復(fù)雜、設(shè)備體積較大、成本較高的不足，因此它是一種很有發(fā)展前途的頻率合成技術(shù)。DDS技術(shù)現(xiàn)已在接收機(jī)本振、信號(hào)發(fā)生器、通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等方面得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字頻率合成器作為一種信號(hào)產(chǎn)生裝置己經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視，它可以根據(jù)用戶(hù)的要求產(chǎn)生相應(yīng)的波形，具有重復(fù)性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，己經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的函數(shù)發(fā)生器[15,17]。4.1.2DDS工作原理圖4-1DDS工作原理圖DDS的工作原理是以數(shù)控振蕩器的方式產(chǎn)生頻率、相位可控制的正弦波。電路一般包括基準(zhǔn)時(shí)鐘、頻率累加器、相位累加器、幅度/相位轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器（LPF）。頻率累加器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行累加運(yùn)算，產(chǎn)生頻率控制數(shù)據(jù)X（frequencydata或相位步進(jìn)量）。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器級(jí)聯(lián)而成，對(duì)代表頻率的2進(jìn)制碼進(jìn)行累加運(yùn)算，是典型的反饋電路，產(chǎn)生累加結(jié)果Y。幅度/相位轉(zhuǎn)換電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)波形寄存器，以供查表使用[18,19]。讀出的數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器。工作過(guò)程如下：每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖Fclk，N位加法器將頻率控制數(shù)據(jù)X與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果Y送至累加寄存器的輸入端。累加寄存器一方面將在上一時(shí)鐘周期作用后所產(chǎn)生的新的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一時(shí)鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)X相加；另一方面將這個(gè)值作為取樣地址值送入幅度/相位轉(zhuǎn)換電路，幅度/相位轉(zhuǎn)換電路根據(jù)這個(gè)地址輸出相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。最后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需要的模擬波形。相位累加器在基準(zhǔn)時(shí)鐘的作用下，進(jìn)行線(xiàn)性相位累加，當(dāng)相位累加器加滿(mǎn)量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，這樣就完成了一個(gè)周期，這個(gè)周期也就是DDS信號(hào)的頻率周期。4.1.3DDS優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)如下：(1)頻率切換時(shí)間短DDS的頻率轉(zhuǎn)換可以近似認(rèn)為是即時(shí)的，這是因?yàn)樗南辔恍蛄性跁r(shí)間上是離散的，在頻率控制字K改變以后，要經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期之后才能按照新的相位增量增加，所以也可以說(shuō)它的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間就是頻率控制字的傳輸時(shí)間，即一個(gè)時(shí)鐘周期兀=1/fc。如果fc=10MHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間即為100ns，當(dāng)時(shí)鐘頻率進(jìn)一步提高，轉(zhuǎn)換時(shí)間將會(huì)更短，但再短也不能少于數(shù)門(mén)電路的延遲時(shí)間。目前，集成DDS產(chǎn)品的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)IOns的量級(jí)，這是目前常用的鎖相頻率合成技術(shù)無(wú)法做到的。(2)頻率分辨率高DDS的最低輸出頻率△fo=△fomin=fc/M=fc/2n，也就是它的最小頻率步進(jìn)量,其中N為相位累加器的位數(shù)，可見(jiàn)只要相位累加器有足夠的字長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)非常精密的分辨率沒(méi)有多大的困難。例如可以實(shí)現(xiàn)Hz、mHz甚至ｕHz的頻率分辨率，而傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)要實(shí)現(xiàn)這樣的頻率分辨率十分困難，甚至是不可能的。(3)相位變化連續(xù)DDS改變輸出頻率實(shí)際上改變的是每次的相位增量，即改變相位的增產(chǎn)速度。當(dāng)頻率控制字由Kl變?yōu)镵2之后，它是在己有的積累相位nK1δ之上，再?zèng)]次累加K2δ，相位函數(shù)的曲線(xiàn)是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其斜率發(fā)生了突變，因而保持了輸出信號(hào)相位的連續(xù)性。這在很多對(duì)頻率合成器的相位要求比較嚴(yán)格的場(chǎng)合非常有用。(4)具有低相位噪聲和低漂移DDS系統(tǒng)中合成信號(hào)的頻率穩(wěn)定度直接由參考源的頻率穩(wěn)定度決定，合成信號(hào)的相位噪聲與參考源的相位噪聲相同。而在大多數(shù)DDS系統(tǒng)應(yīng)用中，一般由固定的晶振來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率，所以其具有極好的相位噪聲和漂移特性。(5)易于集成、易于調(diào)整DDS中除了DAC和濾波器之外，幾乎所有的部件都屬于數(shù)字信號(hào)處理器件，不需要任何調(diào)整。缺點(diǎn)如下：（1）雜散抑制差：這是DDS的一個(gè)主要的缺點(diǎn)，由于DDS一般采用了相位截?cái)嗉夹g(shù)，它的直接后果是給DDS的輸出信號(hào)引入了雜散，同時(shí)波形存儲(chǔ)器中波形幅度量化所引起的有效字長(zhǎng)效應(yīng)和D/A的非理想特性也都將對(duì)DDS的雜散抑制性能產(chǎn)生很大的影響，但目前DDS采用了許多新的抑制雜散辦法以及新器件結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，DDS的雜散抑制水平也不斷提高，例如，抖動(dòng)技術(shù)破壞了誤差的周期性，從而使頻譜特性得到了很大的提高。（2）工作頻帶受限：根據(jù)DDS的結(jié)構(gòu)和工作原理，DDS的工作頻率要受到器件速度的限制，和基準(zhǔn)頻率有直接的關(guān)系，但隨著目前微電子水平的不斷提高，DDS工作頻率也有很大的提高，例如，采用CMOS工藝的DDS工作頻率以由過(guò)去的幾十MHz到目前的6300MHz，采用ECL工藝的DDS工作頻率以由過(guò)去300MHz左右到目前的1.6GHz，而采用GaAs工藝則可達(dá)到4GHz左右，再過(guò)幾年DDS的輸出頻率可能達(dá)到4GHz左右，其應(yīng)用范圍將非常廣泛。（3）相位噪聲性能：與其它頻率合成器相比，DDS的全數(shù)字結(jié)構(gòu)使得相位噪聲不能獲得很高的指標(biāo)，DDS的相位噪聲主要由參考時(shí)鐘信號(hào)的性質(zhì)、參考時(shí)鐘的頻率與輸出頻率之間的關(guān)系以及器件本身的噪聲基底決定。理論上DDS輸出信號(hào)的相位噪聲會(huì)對(duì)參考時(shí)鐘信號(hào)的相位噪聲有的改善但在實(shí)際工程中，必須要考慮包括相位累加器、ROM和D/A等各種部件噪聲特性對(duì)DDS相位噪聲性能的限制[20]。4.2AD9854概述AD9854數(shù)字合成器是高集成度的器件，它采用先進(jìn)的DDS技術(shù)，片內(nèi)整合了兩路高速、高性能正交D/A轉(zhuǎn)換器通過(guò)數(shù)字化編程可以輸出I、Q兩路合成信號(hào)。在高穩(wěn)定度時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，AD9854將產(chǎn)生一高穩(wěn)定的頻率、相位、幅度可編程的正弦和余弦信號(hào)[21]。AD9854的工作過(guò)程是，信號(hào)經(jīng)過(guò)頻率累加器，變?yōu)榫€(xiàn)性增加的瞬時(shí)頻率，然后經(jīng)相位累加器輸出的二次瞬時(shí)相位，通過(guò)這個(gè)相位值在正弦值存儲(chǔ)表中尋址，得到與相位相符的幅度量比值，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，得到連續(xù)的階梯波，經(jīng)反辛革濾波器除去其中的高頻分量。圖4-2AD9854功能結(jié)構(gòu)框圖如圖4-2所示，AD9854內(nèi)部包括一個(gè)具有48位相位累加器、一個(gè)可編程時(shí)鐘倍頻器、一個(gè)反sinc濾波器、兩個(gè)12位300MHzDAC，一個(gè)高速模擬比較器以及接口邏輯電路。其主要性能特點(diǎn)如下：1. 高達(dá)300MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘；2. 能輸出一般調(diào)制信號(hào)，F(xiàn)SK，BPSK，PSK，CHIRP，AM等；3. 100MHz時(shí)具有80dB的信噪比；4. 內(nèi)部有4*到20*的可編程時(shí)鐘倍頻器；5. 兩個(gè)48位頻率控制字寄存器，能夠?qū)崿F(xiàn)很高的頻率分辨率。6. 兩個(gè)14位相位偏置寄存器，提供初始相位設(shè)置。7. 帶有100MHz的8位并行數(shù)據(jù)傳輸口或10MHz的串行數(shù)據(jù)傳輸口[22]。4.3AD9854的連接并行模式下，AD9854的雙向傳輸8位數(shù)據(jù)線(xiàn)D0-D7，與STM32的通用I/O口PA.0-PA.7連接，由于電平相同，所以可以直接相連不用使用電平轉(zhuǎn)換芯片，減小了電路設(shè)計(jì)難度，降低了設(shè)計(jì)成本。地址線(xiàn)A0-A5與STM32的PG0-PG5相連，通過(guò)改變PG0-PG5的值，給出初始化AD9854和改變幅值、頻率、相位的相應(yīng)寄存器的地址，然后在對(duì)應(yīng)寄存器寫(xiě)入相應(yīng)的值。AD9854的控制位RST、SP、OSK、WR、RD、F/B/H、IOUD和處理器的PC.0-PC.6相連，完成了對(duì)AD9854的復(fù)位、模式選擇、讀、寫(xiě)、更新信號(hào)的控制。連接電路如下圖所示圖4-3AD9854的連接電路4.4AD9854功能的實(shí)現(xiàn)4.4.1芯片初始化AD9854提供了串行和并行兩種控制方式，為了滿(mǎn)足高速的調(diào)制功能，將S/PSELECT管腳直接連+3.3V，設(shè)置為1，采用并行輸入輸出方式。并行接口有8位數(shù)據(jù)線(xiàn)和6位地址線(xiàn)。首先對(duì)AD9854的I/Oupdate信號(hào)進(jìn)行設(shè)置，I/Oupdate是一個(gè)由低到高的上升沿信號(hào)，輸入的數(shù)據(jù)先存在I/O口的緩沖寄存器中，等待上升沿的到來(lái)，即I/Oupdate(Pin20)上升沿的到來(lái)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到DDS的核心寄存器，正確的設(shè)置才能使AD9854正常工作。這個(gè)信號(hào)可以選擇從外部或者內(nèi)部產(chǎn)生。選擇外部提供時(shí)，程序寄存器中轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)部分時(shí)，可能造成程序執(zhí)行錯(cuò)誤，所以應(yīng)將內(nèi)部的系統(tǒng)時(shí)鐘與外部同步。選擇內(nèi)部還是外部，由控制寄存器（1Fh）中的最低位Internal/externalupdateclock決定，內(nèi)部產(chǎn)生選擇1，外部產(chǎn)生選擇0。32位的updatedclock寄存器，決定了內(nèi)部產(chǎn)生的I/Oupdate信號(hào)的周期，計(jì)算公式是(N+1)×(SystemClockPeriod×2)，其中SystemClockPeriod是系統(tǒng)時(shí)鐘的倒數(shù)，N是32位寄存器中需要輸入的數(shù)值，它的取值范圍是1-(232-1)。需要給I/OUpdate信號(hào)，提供8個(gè)時(shí)鐘周期的高電平[23]。然后，需要對(duì)40個(gè)內(nèi)部的寄存器進(jìn)行設(shè)置。控制寄存器的地址為1Dh-20h，其字長(zhǎng)為32位，包括了對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率控制、比較器、工作模式控制、輸出幅度、輸出頻率、輸出相位的控制?？刂票容^器開(kāi)關(guān)、各個(gè)輸出通路的開(kāi)關(guān)的寄存器，其對(duì)應(yīng)的地址為1D。各個(gè)通路都有輸出，且沒(méi)有使用比較器。所以寫(xiě)入1D地址寄存器的值為10h，即該寄存器的默認(rèn)值。接下來(lái)，設(shè)置1E地址的寄存器。外部使用40MHz的晶振作，系統(tǒng)工作頻率設(shè)200MHz，倍乘器倍數(shù)為5，所以PLLRange位，設(shè)置為1，打開(kāi)PLL倍乘器開(kāi)關(guān)，而B(niǎo)ypassPLL位，設(shè)置為0，所以地址1E的控制器中應(yīng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)為45h?？刂菩酒ぷ髂Ｊ胶虸/Oupdate信號(hào)產(chǎn)生方式的寄存器，其地址為1F，模式選擇的是FSK，內(nèi)部產(chǎn)生I/Oupdate信號(hào)，所以寄存器寫(xiě)入的數(shù)據(jù)為03h.控制輸出波形幅值及串行方式通信的寄存器，地址為20。本設(shè)計(jì)使用并行傳輸方式，所以一些串行的設(shè)置都默認(rèn)為0。OSKINT位設(shè)置為1、OSKEN位設(shè)置為0，則要AD9854內(nèi)部產(chǎn)生幅值。OSKINT位設(shè)置為0、OSKEN位設(shè)置為1，則需要通過(guò)專(zhuān)門(mén)的幅值寄存器，調(diào)整輸出的幅值。在此我們選擇了默認(rèn)值20h。AD9854有個(gè)兩個(gè)頻率寄存器和兩個(gè)相位寄存器，控制寄存器設(shè)置完以后，可以設(shè)置幅度寄存器、頻率寄存器和相位寄存器。地址為00和01寄存器，是輸出波形的相位寄存器，它的字長(zhǎng)是14位，因此具有14位的精度。波形的頻率寄存器，字長(zhǎng)為48位，地址為04至09，需要往里面寫(xiě)入48的頻率控制字。頻率控制字的計(jì)算公式是：FTW=（DesiredOutputFrequency×2N）/SYSCLK，其中N是相位累加器的字長(zhǎng)，在這里為48，計(jì)算出來(lái)的結(jié)果是一個(gè)十進(jìn)制數(shù)字，所以要把它轉(zhuǎn)化為48位的二進(jìn)制數(shù)[24]。此寄存器控制輸出的頻率范圍，可從0到二分之一的系統(tǒng)時(shí)鐘。控制幅度進(jìn)行的寄存器是地址為21-24的OutputShapeKeyI和OutputShapeKeyQ，它們都是12位的寄存器。至此，完成了對(duì)AD9854的初始化。4.4.2AD9854的時(shí)序圖在對(duì)AD9854進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，重要的問(wèn)題是要掌握它的讀寫(xiě)時(shí)序，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，沒(méi)有對(duì)AD9854進(jìn)行讀操作，所以只對(duì)寫(xiě)操作的時(shí)序進(jìn)行了介紹。AD9854并行方式的寫(xiě)時(shí)序，如圖4.4圖所示。圖4-4AD9854并行方式寫(xiě)時(shí)序圖并行工作時(shí)，首先對(duì)主復(fù)位MASTERRESET進(jìn)行復(fù)位，需要置高10個(gè)以上系統(tǒng)周期，主要作用是初始化系統(tǒng)總線(xiàn)，主復(fù)位以后才可以對(duì)其它寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。所以數(shù)據(jù)完成以后要給AD9854一個(gè)更新脈沖（I/Oupdate端口），更新時(shí)鐘的作用是將所寫(xiě)的數(shù)據(jù)送入到相應(yīng)的寄存器中。在進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí),可將地址和數(shù)據(jù)同時(shí)寫(xiě)入，在WR引腳接收到一個(gè)高電平后，數(shù)據(jù)和地址被寫(xiě)入。4.5本章小結(jié)本章主要介紹了DDS同步信號(hào)源，綜合闡述了其運(yùn)用原理，以及AD9854芯片的連接以及功能的實(shí)現(xiàn)。主控制器通過(guò)并行傳輸方式和AD9854進(jìn)行通信，并對(duì)并行傳輸時(shí)的時(shí)序圖進(jìn)行了說(shuō)明。第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果5.1軟件流程設(shè)計(jì)KKNYN清空存儲(chǔ)寄存器判斷頻率是否超出范圍結(jié)束是否有鍵按下開(kāi)始初始化鍵盤(pán)掃描程序執(zhí)行顯示程序計(jì)算頻率控制字顯示當(dāng)前f,Z計(jì)算阻抗AD采集DDS更新頻率出入頻率控制器Y圖5-1程序設(shè)計(jì)流程圖首先，對(duì)STM32系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷、串口、AD、LCD等進(jìn)行初始化。STM32與AD9854間采用并行通信，將給定的頻率和相位，寫(xiě)入AD9854相應(yīng)的寄存器，產(chǎn)生一組正交的激勵(lì)信號(hào)；延時(shí)到低通濾波器完成濾波后，對(duì)待測(cè)元件進(jìn)行阻抗測(cè)量，啟動(dòng)A/D，同時(shí)完成對(duì)兩路A/D的采集，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過(guò)阻抗轉(zhuǎn)換的算法，計(jì)算出阻抗值，并通過(guò)液晶顯示此時(shí)激勵(lì)信號(hào)的頻率，和對(duì)于阻抗的幅值和相位。也可以通過(guò)串口，把測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。一個(gè)頻率點(diǎn)測(cè)試完成后，通過(guò)按鍵改變激勵(lì)信號(hào)的頻率，測(cè)試下一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，重復(fù)以上步驟，直到達(dá)到頻率的上限，就可以完成阻抗的測(cè)試5.2AD9854各部分程序設(shè)計(jì)（1）與STM32連接的I/O口的設(shè)置（部分管腳）GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);（2）AD9854的初始化，給出寄存器的地址，寫(xiě)入相應(yīng)數(shù)據(jù)。voidsend_byte(u8add,u8data)（3）根據(jù)計(jì)算公式，給出AD9854的幅值和頻率函數(shù)。voidAD9854_F1(doublef){table9854[0]=(u8)((f*256)/160000000);table9854[1]=(u8)(((f*256)/160000000-table9854[0])*256);table9854[2]=(u8)((((f*256)/160000000-table9854[0])*256-table9854[1])*256);table9854[3]=(u8)(((((f*256)/160000000-table9854[0])*256-table9854[1])*256-table9854[2])*256);table9854[4]=(u8)((((((f*256)/160000000-table9854[0])*256-table9854[1])*256-table9854[2])*256-table9854[3])*256);table9854[5]=(u8)(((((((f*256)/160000000-table9854[0])*256-table9854[1])*256-table9854[2])*256-table9854[3])*256-table9854[4])*256);send_byte(FTW1_6,table9854[0]);send_byte(FTW1_5,table9854[1]);send_byte(FTW1_4,table9854[2]);send_byte(FTW1_3,table9854[3]);send_byte(FTW1_2,table9854[4]);send_byte(FTW1_1,table9854[5]);}voidAD9854_V(floatv){if(v>=1){table9854[6]=0xff;table9854[7]=0xff;}else{table9854[6]=((u16)(v*4096))/256;table9854[7]=((u16)(v*4096))%256;}send_byte(OSKI_2,table9854[6]);send_byte(OSKI_1,table9854[7]);send_byte(OSKQ_2,table9854[6]);send_byte(OSKQ_1,table9854[7]);}5.3模數(shù)AD采集配置STM32的PB.0和PB.1是AD采集的通道，PB.0是AD采集的通道8，PB.1是AD采集的通道9，AD采集的軟件設(shè)計(jì)主要步驟為：（1）開(kāi)啟PB口時(shí)鐘和ADC1時(shí)鐘，設(shè)置PB.0、PB.1為模擬輸入。RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1|RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);（2）開(kāi)初始化ADC1參數(shù)，設(shè)置ADC1的工作模式以及規(guī)則序列的相關(guān)信息ADC_InitTypeDefADC_InitStructure;ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_8,1,ADC_SampleTime_55Cycles5);ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_9,2,ADC_SampleTime_55Cycles5);（3）開(kāi)啟DMA時(shí)鐘及參數(shù)設(shè)定RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1,ENABLE);DMA_InitTypeDefDMA_InitStructure;DMA_DeInit(DMA1_Channel1);DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr=DR_ADDRESS;DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr=(uint32_t)&AD_Value;DMA_Init(DMA1_Channel1,&DMA_InitStructure);DMA_Cmd(DMA1_Channel1,ENABLE);（4）使能ADC并校準(zhǔn)①使能指定的ADC：ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);②執(zhí)行復(fù)位校準(zhǔn)：ADC_ResetCalibration(ADC1);③執(zhí)行ADC校準(zhǔn)：ADC_StartCalibration(ADC1);（5）讀取ADC值A(chǔ)DC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);ADC_GetConversionValue(ADC1);5.4液晶顯示屏的控制（1）初始化STM32與TFTLCD模塊相連接的IO口（部分代碼）GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOD,&GPIO_InitStructure);（2）初始化FSMCFSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_Bank=FSMC_Bank1_NORSRAM4;FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_DataAddressMux=FSMC_DataAddressMux_Disable;FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_MemoryType=FSMC_MemoryType_SRAM;FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_MemoryDataWidth=FSMC_MemoryDataWidth_16b;（3）初始化TFTLCD模塊通過(guò)向TFTLCD寄存器中寫(xiě)入一系列的數(shù)據(jù)，來(lái)啟動(dòng)TFTLCD的顯示。寫(xiě)入寄存器地址的函數(shù)：voidLCD_WR_REG(u16regval){LCD->LCD_REG=regval;}寫(xiě)入數(shù)據(jù)的函數(shù)：voidLCD_WR_DATA(u16data){LCD->LCD_RAM=data;}（4）通過(guò)函數(shù)將字符和數(shù)字顯示到TFTLCD模塊上①顯示數(shù)字的函數(shù)：voidLCD_ShowxNum(u16x,u16y,u32num,u8len,u8size,u8mode)②顯示字符串的函數(shù)：voidLCD_ShowString(u16x,u16y,u16width,u16height,u8size,u8*p)5.5按鍵對(duì)LED的控制按鍵（USER1）與STM32的PA.8相連，指示燈（LED）與PF.6相連。按鍵配置成上拉輸入，LED配置成推挽輸出模式。voidKEY_Init(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);}voidLED_Init(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOF,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_6;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOF,&GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_6);}5.6計(jì)算阻抗值由STM32完成兩路AD采集，通過(guò)計(jì)算得出阻抗的幅值和相位voidV0PhaseCovertValue(void){doubleVAL1,VAL2;doubleV0AmpValue,V0temp;VAL1=(double)value1;VAL2=(double)value2;VAL1=VAL1/1000;VAL2=VAL2/1000;V0PhaseValue=atan2(VAL2,VAL1);V0PhaseValue=V0PhaseValue*DU;V0temp=cos(V0PhaseValue);V0AmpValue=VAL1/K1;V0AmpValue=V0AmpValue/V0temp;ZKAmpValue=V0AmpValue/K2;ZKAmpValue=ZKAmpValue-K3;}5.7系統(tǒng)仿真選用一階RC低通濾波器，電路較易搭建，其中電阻R的阻值100K，電容C的容值為0.01F。電路原理圖如圖5.2所示，通過(guò)試驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5.1所示。圖圖5-2一階RC低通濾波器R100K阻抗測(cè)量系統(tǒng)C0.01Uf表5-1系統(tǒng)仿真結(jié)果頻率/Hz測(cè)試阻抗相位/°理論阻抗相位/°誤差/%測(cè)試阻抗幅值/Ω理論阻抗幅值/Ω誤差/%1.000-89.122-89.6400.5815918811.39115916323.1591.48e-65.000-86.825-88.2011.563186261.9683186282.9906.60e-610.000-85.608-86.4050.921595472.4531595493.5981.33e-550.000-75.607-76.5621.25333700.256333705.5921.60e-5100.000-57.618-57.8710.43188029.870188031.9071.10e-51K.000-9.102-9.0480.60101255.579101259.8644.23e-510K.000-0.903-0.9