基于STM32的頻率特性測試儀的設(shè)計

吳涵旭 屈樂樂 韓磊 崔思堯 楊研

摘要：本文提出了一種實用性頻率特性測試儀的設(shè)計方案。該設(shè)計通過分析掃頻信號輸出性能指標，對相應(yīng)的信號源和電流型反饋運算放大電路進行結(jié)合，使用繼電器控制Π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)了輸入和輸出衰減網(wǎng)絡(luò)。為了增加測試功能，采用兩片AD8302芯片的方法測量相位差和相位極性。采取STM32處理器作為中央處理器，使整體結(jié)構(gòu)更為簡單，解決了國內(nèi)低頻頻率特性測試儀功能簡單、體積較大、價格昂貴等問題。

關(guān)鍵詞：STM32;頻率特性測試儀;AD8302

中圖分類號：TN828.6 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）11-0120-02

0 引言

頻率特性測試儀是專門用于測量電子設(shè)備中某些電路頻率特性的專用儀器。低頻數(shù)字頻率特性測試儀測試信號范圍一般在10MHz以下，在現(xiàn)代電子教學(xué)實驗和工業(yè)測量中應(yīng)用廣泛，例如一些音頻設(shè)備的生產(chǎn)中，就常常需要用到低頻掃描儀來檢測其產(chǎn)品的性能。國外用來測試系統(tǒng)頻率特性的儀器主要集中在射頻，微波以及更高頻率，低頻范圍內(nèi)的產(chǎn)品比較少，并且價格昂貴，操作復(fù)雜。

1 系統(tǒng)總體方案

本儀器主要分為以下五個部分：DDS掃頻信號源、幅度相位檢測電路、鍵盤旋鈕及LCD、ARM9S3C2440控制及數(shù)字處理電路。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

待測信號首先經(jīng)過DDS掃頻信號源，轉(zhuǎn)變成正弦信號輸出。一部分信號送到其內(nèi)部的輸出衰減網(wǎng)絡(luò)中，這部分的作用主要為保護幅度相位檢測電路和改變輸入信號的幅值達到可被幅度相位檢測電路測量;另一部分信號直接傳輸?shù)椒认辔粰z測電路中，然后將檢測之后的信號一起發(fā)送給ARM9S3C2440控制器及數(shù)字處理電路中，把模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，便于最終的處理和分析。最后把處理好的數(shù)據(jù)通過LCD顯示出來。

2 硬件部分

系統(tǒng)采用AD9854作為信號源，因為它具有高速、高性能等優(yōu)點，可以線性調(diào)頻，很適合作系統(tǒng)的信號發(fā)生器件。DDS的工作模式由處理器控制，在實現(xiàn)掃描功能時，DDS處于掃頻模式。為了增大儀器的測量范圍并降低失真度，輸出信號放大電路選擇的是電流反饋型。對于輸出信號的衰減量的控制是由輸入、輸出衰減與增益電路實現(xiàn)的，這部分電路和放大電路一樣也并不影響輸入信號的相頻特性。系統(tǒng)的幅度相位檢測電路采用了兩片AD8032增益相位檢測器。系統(tǒng)采用32個按鍵來控制和處理輸出信號，主要采用中斷程序是實現(xiàn)測試的功能。旋鈕電路由響應(yīng)外部中斷的方法控制，并通過改變高低電平實現(xiàn)相應(yīng)的功能。最后系統(tǒng)通過在LCD屏上顯示被測輸入信號的頻率完成全部測試功能。

3 軟件部分

系統(tǒng)的軟件部分主要由主程序、中斷子程序、串行口子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序和LCD數(shù)碼管顯示子程序等組成。系統(tǒng)的主程序首先將LCD、AD9854和片內(nèi)ADC進行初始化設(shè)置，接下來通過按鍵選擇測試模式。A/D轉(zhuǎn)換子程序的作用是對片內(nèi)的ADC裝配，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以便于對測量信號的采樣處理。數(shù)碼管顯示子程序主要把最終的測試結(jié)果顯示在LCD電子屏上。軟件的主程序流程圖如圖2所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

使用的測試儀器有：萬用表、示波器、四通道數(shù)字示波器、頻率特性測試儀SP30120。

4.1 點頻測量

主要測1MHz～40MHz的頻帶內(nèi)，RLC串聯(lián)諧振電路每個頻點對應(yīng)的增益和相移值。頻帶內(nèi)余弦信號峰峰值誤差≤5%，即幅頻測量絕對值誤差≤0.5dB;相位測量值均在85°以上，相頻測量誤差絕對值≤5°。

4.2 RLC串聯(lián)諧振掃頻測量

實際的相頻和幅頻特性類似于帶通濾波電路的特性曲線。如圖3所示，被測網(wǎng)絡(luò)的中心頻率19.2MHz，誤差的絕對值≤5%;帶寬4.9MHz，計算得到的有載品質(zhì)因數(shù)Q=3.9，誤差的絕對值≤5%，有載最大電壓增益為-0.34dB。

4.3 誤差分析

首先是正交信號幅值平坦度問題;測試基于正交信號，輸出應(yīng)保證頻帶內(nèi)幅值沒有明顯紋波抖動，若濾波電路通帶內(nèi)出現(xiàn)較大波紋抖動，截止頻率沒有達到要求，就無法保證通帶內(nèi)幅值平坦，從而產(chǎn)生誤差。其次是不等幅測量誤差;當(dāng)兩個輸入信號幅度不相等時，幅度大的信號可能會覆蓋幅度小的信號，造成混頻后的信號誤差。最后是直流分量誤差;在乘法混頻電路中，要求信號不能有直流分量，但由于乘法器輸出本身就有直流分量，所以會導(dǎo)致最后的測試結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。

5 結(jié)語

本儀器采用STM32單片機作為中央處理器，使用2片AD8302芯片的方法測量相位差和相位極性，依靠零中頻正交解調(diào)的原理，解決了測試功能單一，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴等問題。本儀器可以測量1-50MHz的模擬信號，可用手動用按鍵調(diào)節(jié)測量模式，測試結(jié)果可以通過液晶LCD模塊清晰的顯示出。并且實現(xiàn)了測量過程系統(tǒng)穩(wěn)定、數(shù)字化和功耗相對較低等優(yōu)點。在各行各業(yè)具有廣泛的應(yīng)用空間和良好的市場前景。

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