基于STM32的程控增益放大電路設(shè)計

李敏 胡飛 楊會偉 王海欣

基于STM32的程控增益放大電路設(shè)計

李敏 胡飛 楊會偉 王海欣

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽蕪湖，241006)

系統(tǒng)采用STM32F103作為程控增益放大電路的控制核心，通過I2C總線連接低導(dǎo)通電阻的電子開關(guān)芯片ADG715，并將基于μC/OS-II操作系統(tǒng)的I2C程序移植到STM32中，實現(xiàn)多通道程控信號放大調(diào)理。設(shè)計的電路可用于低頻數(shù)字示波器信號調(diào)理和程控放大，也可作為STM32的嵌入式教學(xué)實訓(xùn)平臺和相關(guān)電子產(chǎn)品的前端檢測模塊。

STM32；程控增益；放大電路。

1.前言

目前，示波器作為測試分析儀器應(yīng)用范圍越來越廣，功能也越來越強大，用戶要求示波器不但具有信號采集、處理、分析、顯示功能，而且還需具備通信功能[1] [2]。中高端數(shù)字示波器長期以來受國外公司壟斷。我國的科研院所和高校也一直致力于高端數(shù)字示波器的研發(fā)設(shè)計[1] [2]。在數(shù)字示波器硬件架構(gòu)中不容忽視的部分是前端電路，而前端電路中程控增益放大電路又決定了示波器的采樣率和信號完整性，從實際工程應(yīng)用和文獻綜述中介紹的程控增益放大電路設(shè)計方法很多，使用的程控放大電路器件也很豐富，如有些文獻介紹的采用CLC5523作為程控增益放大器的核心器件；采用ARM7嵌入式處理器控制AD603、FPGA芯片TLC2543控制VCA810以及外置控件實現(xiàn)DAC8802程控增益信號放大等電路[3][4] [5] [6]。根據(jù)電子信息類專業(yè)的嵌入式應(yīng)用技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)、傳感器與檢測技術(shù)等課程的教學(xué)實訓(xùn)需要，同時讓學(xué)生更好的理解STM32處理器在信號采集處理系統(tǒng)中的應(yīng)用，掌握μC/OS-II操作系統(tǒng)的移植并應(yīng)用STM32的I2C、AD、GPIO等庫函數(shù)的能力，設(shè)計了基于STM32處理器的信號調(diào)理和程控增益放大電路，采用基于I2C具有低導(dǎo)通電阻特性的電子開關(guān)ADG715，該芯片的各通道導(dǎo)通和關(guān)斷電阻匹配也較為接近，從而保證了各通道信號調(diào)理的一致性。借助該平臺可開展電子信息類專業(yè)課程教學(xué)實訓(xùn)和基于μC/OS-II操作系統(tǒng)的STM32平臺二次開發(fā)。

2.信號調(diào)理和程控增益放大電路硬件設(shè)計

2.1 信號放大及跟隨電路的設(shè)計

為保證信號輸入通道具有高輸入阻抗，在調(diào)理電路中選擇LM358運放作為放大電路及電壓跟隨器的設(shè)計元件，作為一款低功耗且性價比較高的通用放大器，適合運用于低頻信號處理電路的前端部分。在示波器的前端電路中，輸入信號經(jīng)過交、直流切換開關(guān)后，輸入至電壓跟隨器LM358同相端，再根據(jù)LM358輸出信號幅值決定分壓電路衰減10倍還是保持不變，然后經(jīng)過由運放LM358構(gòu)成的兩級反相放大電路，第一級運放實現(xiàn)信號的程控放大，且輸出信號和輸入信號相反，第二級放大電路實現(xiàn)信號的翻轉(zhuǎn)，保證輸入輸出信號相位一致。

2.2 模擬多路開關(guān)電路設(shè)計

在該電路中，選用雙線制模擬電子開關(guān)芯片ADG715，其工作電壓為5V，采用阻容元件構(gòu)成的上電復(fù)位電路，A0和A1是外接多片ADG715的地址輸入信號，根據(jù)電路設(shè)計需要，只連接一片ADG715，因此將兩個引腳均置為低電平。為實現(xiàn)程控增益放大，ADG715的S1-S8引腳需要和無源元件連接形成放大電路的反饋部分，在此部分若無源元件選型不合適，那么再好的放大器和轉(zhuǎn)換器也會產(chǎn)生較大誤差，電阻作為反饋部分的主要元件，溫度系數(shù)較大，精度較低的碳膜電阻不適于示波器的前端信號處理電路，因此選用精密金屬膜電阻。通過反饋電阻的選擇將信號放大設(shè)定為若干檔位，從而實現(xiàn)放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)。

2.3 控制電路部分接口設(shè)計

為實現(xiàn)放大電路的增益由小到大逐漸變化，因此需要控制模擬電子開關(guān)芯片ADG715的通道，多路選擇開關(guān)ADG715是具有低導(dǎo)通電阻的I2C總線控制器，采用STM32F103的PB6、PB7作為I2C接口與ADG715的I2C引腳連接，為保證總線正常工作，將I2C的SCL和SDA分別接10K上拉電阻，程控放大電路如圖1所示。

圖1 程控增益放大電路

2.4 雙極性電源電路設(shè)計

為滿足不同極性的輸入信號要求，需讓LM358工作于雙電源模式，而多數(shù)應(yīng)用下一般不提供雙電源，為提高系統(tǒng)抗干擾性，因此選用A1205XT芯片設(shè)計電壓轉(zhuǎn)換電路，基于A1205XT轉(zhuǎn)換電路會產(chǎn)生與輸入完全隔離的一組雙電源，將輸入的12V轉(zhuǎn)換為正負5伏供電，為進一步減少輸出紋波，在輸出端連接一個電容濾波網(wǎng)絡(luò)，電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換電路

3.程控增益放大電路的控制軟件設(shè)計

3.1 uC/OS-II系統(tǒng)移植

為保證程控放大電路的控制軟件可移植性和可靠性，通常采用嵌入式操作系統(tǒng)作為平臺，常見的嵌入式OS有μC/OS、μC-Linux、QNX、RT-Thread、FreeRTOS等，本文選用μC/OS-II，使用的硬件平臺是基于Cortex-M3的STM32F103，因此需要在STM32中移植

μc/osII操作系統(tǒng)。基于意法官網(wǎng)提供了μC/OS-II的移植模板，根據(jù)實際系統(tǒng)需要做相應(yīng)修改，移植工作主要考慮的問題是針對不同的處理器修改與其相關(guān)的文件os_cpu.h和os_cpu.a.asm，針對數(shù)據(jù)進行重定義、配置寄存器、系統(tǒng)時間中斷、μCOS-II系統(tǒng)的配置文件os_cfg.h等，針對任務(wù)的最大數(shù)量、信號量數(shù)量、郵箱或者隊列及其使用的最大數(shù)量、動態(tài)內(nèi)存的管理等作出設(shè)置?？紤]到程控增益放大電路控制軟件需要及時捕捉并顯示信號的變化情況，系統(tǒng)時間節(jié)拍需要在原有基礎(chǔ)的1ms修改為0.5ms，在程序中將最小時間節(jié)拍從1000修改為2000，即如下：

#define OS_TICKS_PER_SEC 2000

3.2 任務(wù)(Task)規(guī)劃

在嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II的支持下，任務(wù)（Task）規(guī)劃非常重要。首先，系統(tǒng)上電初始化，包括SysTick時鐘和外設(shè)如GPIO、AD、I2C和外部中斷EXTI等初始化,建立若干任務(wù)和信號量，使用啟動任務(wù)OsStart()函數(shù)，在程控放大電路控制軟件中，共設(shè)置4個任務(wù)，分別是：①TASK1：輸入信號采集任務(wù)；②TASK2：ADG715通道選擇任務(wù)；③TASK3：按鍵輸入任務(wù)；④TASK4：GUI顯示任務(wù)。

當(dāng)有效信號接入后，進行信號固定衰減后進入AD轉(zhuǎn)換電路，啟動定時器，采樣周期設(shè)定為500us，根據(jù)輸入信號峰值大小選擇相應(yīng)通道，并基于μc/osII操作系統(tǒng)發(fā)送郵箱消息至ADG715通道選擇任務(wù)，ADG715根據(jù)參數(shù)打開對應(yīng)的通道，通過STM32的GPIO控制8個LED燈,顯示具體通道號,系統(tǒng)設(shè)計的按鍵輸入任務(wù),當(dāng)按鍵中斷發(fā)生時,經(jīng)按鍵去抖濾波處理后,獲取當(dāng)前按鍵變量，控制采樣信號的啟停。GUI顯示任務(wù)采用定時刷新程序,當(dāng)刷新周期到,顯示輸入信號的幅度頻率等相關(guān)參數(shù)，軟件流程圖如圖3所示。

3.3 I2C驅(qū)動設(shè)計

STM32F103通過I2C總線向ADG715發(fā)送從地址和控制字數(shù)據(jù), 根據(jù)不同的放大或衰減倍數(shù),對應(yīng)于8個通道的控制字為0x01至0x80，當(dāng)ADG715檢測地址一致時，發(fā)送應(yīng)答信號至STM32F103，接著STM32F103發(fā)送有效數(shù)據(jù)至ADG715，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完后，STM32F103釋放I2C總線。

在對ADG715操作中，需配置三個函數(shù)I2C_GPIO、I2C_MODEL、ADG715_ByteWrite。其中：

（1）I2C_GPIO是用于I2C接口的STM32中引腳定義（輸入輸出模式、速率等），以及對I2C相關(guān)時鐘的使能；

（2）I2C_MODEL配置I2C工作模式，設(shè)定I2C的尋址模式和通信速率并使能；

（3）ADG715_ByteWrite函數(shù)實現(xiàn)了STM32向ADG715發(fā)送起始位、ADG715的地址、一個字節(jié)的數(shù)據(jù)以及停止位，在該函數(shù)中STM32發(fā)送數(shù)據(jù)后，ADG715自動回復(fù)應(yīng)答信號。

圖3 基于μc/osII的程控增益放大電路控制流程圖

4.實驗分析

為驗證ADG715程控增益放大電路的有效性，給定頻率為50Hz，占空比50%，電壓幅度40mv的方波輸入信號，依據(jù)信號幅度大小選擇ADG715通道，從而自動調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。在該實驗中，通過STM32的I2C總線發(fā)出控制字0X80，控制ADG715的S8與D8通道導(dǎo)通，如圖4所示，輸入輸出信號在頻率、占空比、相位上基本保持一致，但輸出信號幅度略低于理論計算值。

圖4 輸入輸出波形

5.總結(jié)

系統(tǒng)以STM32F103嵌入式處理器為程控放大電路的主控芯片，基于uC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計控制程序，STM32F103通過I2C總線與電子開關(guān)ADG715通信并傳輸控制字，該電路可實現(xiàn)8路交直流信號的切換，由于電子開關(guān)ADG715導(dǎo)通阻抗低，因此各通道導(dǎo)通和關(guān)斷阻抗一致性較好。設(shè)計的程控增益放大電路可移植，電路系統(tǒng)經(jīng)過改進后可應(yīng)用于低頻數(shù)字示波器及其他測量儀器的子模塊。

[1]王文理,武晉,劉志強.基AT89S52單片機與AD0804的數(shù)字示波器設(shè)計[J].單片機開發(fā)與應(yīng)用, 2009,25(12):114-115.

[2]何顯鵬,彭力,何小龍.基于FPGA的數(shù)字示波器設(shè)計研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè), 2009(18):327-328.

[3]張宇翔,王明利,呂運朋,等.高速數(shù)字存儲示波器前端電路設(shè)計[J].自動化儀表, 2010,31(4):65-67, 40-43.

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Design of Programmable Gain Amplification Circuit Based on STM32

LI Min & HU Fei & YANG Hui –wei & WANG Hai-xin

The system uses STM32F103 as the control core of the programmable gain amplifier circuit, connects the ADG715 with low on-resistance through the I2C bus, and transplants the I2C program under the μC/OS-II operating system into STM32 to realize multi-channel programmable signal amplification.The circuit is designed not only for low-frequency digital oscilloscope signal conditioning and programmable amplification, but also as an embedded teaching training platform for STM32 and a front-end detection module for related electronic products.

STM32; programmable gain; amplifier circuit.

TP274

A

1009-1114（2019）03-0026-04

2019-07-26

李敏（1977—），安徽蕪湖人，碩士,蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置。

安徽省高校自然科學(xué)基金重點項目（項目編號：KJ2016A757）；蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)研究項目（項目編號: Wzcxcyzh201905；Wzyzr201313）。

文稿責(zé)編 錢峰