一種基于STM32的便攜式遠程幅頻特性測試儀設計

孫東勝 于婉婷 崔淵 陳祝洋 錢錚

摘? ? 要：針對幅頻特性的測量要求和方法，采用STM32F103為核心控制器，以DDS集成芯片為核心器件，并與程控放大器組合，在STM32的控制下，構(gòu)成幅度可調(diào)節(jié)、頻率可連續(xù)變化的信號源，以滿足不同被測器件的輸入要求。利用AD8361均值響應檢波器獲取被測器件輸出端的幅度信息;采用STM32內(nèi)部AD實時采集檢波器輸出的幅度信息;利用示波器的X-Y顯示方式，搭配STM32內(nèi)部自帶DA輸出的鋸齒波，在示波器上顯示幅頻特性曲線。利用頻分復用合并被測器件的幅度信息和頻率信息，通過雙絞線實現(xiàn)遠程傳輸，在接收端利用濾波器分離兩路信號;在接收端的液晶屏上制作了一個UI界面，在UI界面上描繪幅頻特性曲線。通過采用數(shù)字化技術，充分發(fā)揮了主控制器片上資源的優(yōu)勢，實現(xiàn)了信息的遠程傳輸。

關鍵詞：DDS;STM32;均值響應檢波;幅頻特性;頻分復用;UI

中圖分類號：TN721? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-7394（2021）02-0025-09

隨著電子科學技術的高速發(fā)展，集成運放制造工藝日益精進，各種高性能的集成運算放大器層出不窮。集成運算放大器采用直接耦合方式，具有很高的電壓放大倍數(shù)，通常的硬件電路設計尤其是信號處理電路都離不開運算放大器的選擇。由于放大電路中電抗元件的存在，放大電路對不同頻率分量的信號其放大能力是不同的，放大電路輸出信號的幅度也就成為頻率的函數(shù)，稱之為幅頻特性[1]，它是運放的關鍵指標之一;此外，濾波器、高頻調(diào)諧器等電路器件的選擇均需要考慮其幅頻特性是否滿足需求。因此，在現(xiàn)代電子測量中，有關幅頻特性的測量占有重要地位。本文設計了以STM32為控制核心的遠程幅頻特性測試儀，可有效滿足電子系統(tǒng)參數(shù)實時共享的需求[2]，從而能夠提高管理效率。

1? ? 系統(tǒng)方案設計

如圖1所示，主控制器STM32F103通過送頻率控制字給DDS，使其產(chǎn)生正弦信號，再經(jīng)程控放大器VCA810，構(gòu)成頻率可變、幅度可調(diào)節(jié)的掃頻信號，作為幅頻特性測試儀的信號源。

信號源通過被測器件后，在輸出端用幅度測量模塊AD8361獲取幅度信息，并經(jīng)STM32F103片內(nèi)AD采集[3]，送本地端用戶界面模塊顯示幅頻特性曲線。同時，可將幅度信息直接送至示波器Y端口，在STM32F103片內(nèi)DA輸出鋸齒波的配合下，通過示波器顯示幅頻特性曲線。此外，將被測器件輸出的幅度信息和STM32F103給出的頻率信息經(jīng)加法器相加后，實現(xiàn)頻分復用，送雙絞線進行遠程傳輸。接收端利用低通濾波器獲取頻率信息，利用高通濾波器獲取幅度信息，經(jīng)AD8361檢波后送接收端用戶界面顯示幅頻特性曲線。

2? ? 單元電路分析與設計

2.1? 系統(tǒng)電源電路設計

由于本系統(tǒng)各個模塊需要不同的直流供電電源，所以單獨設計了一個系統(tǒng)供電電源電路。利用USB口的兩根電源線，將5 V電源引腳和GND引腳用排針引出，以便于給其他模塊供電。如圖2為電壓轉(zhuǎn)換電路原理。將雙口USB線連接通用插頭為整個系統(tǒng)供電;同時，根據(jù)系統(tǒng)需要，將USB口提供的5 V電壓轉(zhuǎn)換成-5 V電壓。LTC公司的一款電源管理芯片LTC660可實現(xiàn)負電壓轉(zhuǎn)換功能，本次設計即采用同類型芯片。

2.2? DDS信號源電路設計

如圖3所示，為DDS信號源電路原理。DDS芯片采用AD9850[4]，使其工作在最高時鐘狀態(tài)，即125 MHz。為了提高數(shù)據(jù)寫入速率，選擇8位并行寫入方式，其控制字共有40位數(shù)據(jù)，包括32位頻率控制字和8位相位控制字。STM32F103只需按照時序依次將40位數(shù)據(jù)寫入，AD9850即可輸出指定頻率的正弦波[5]。

2.3? 程控放大器電路設計

如圖4所示，為放大部分電路原理。程控放大器主芯片采用VCA810，VCA810是德州儀器公司生產(chǎn)的一款放大器，具有寬帶、低失調(diào)電壓和增益可調(diào)節(jié)等特點[6]。值得一提的是，其增益調(diào)節(jié)功能非常方便，只需在芯片3腳上提供特定的直流電壓即可實現(xiàn)-40～40 dB的線性增益控制，增益控制準確度達到±1 dB。在±5 V電源供電條件下，增益控制電壓從0 V變化到-2 V時，增益從-40 dB線性地變化到+40 dB[7]。后級接OPA820運放芯片，起到緩沖作用并提高帶負載能力。

由圖4可知，信號從SMA接口S1接入，經(jīng)VCA810放大后，再接入OPA820同相端，以提高信號的帶負載能力，最終經(jīng)S4接口輸出。

由于VCA810的增益控制電壓從0 V變化到-2 V，因此，DAC輸出的電壓需經(jīng)過反相才可接入VCA810的3腳。設計選用運放芯片OP07構(gòu)成反相器，如圖5所示為反相器電路原理。由圖5可知，DAC輸出的增益控制信號從J12引腳接入，經(jīng)OP07反相后，接入VCA810的3腳，從而實現(xiàn)程控放大。

2.4? 均值響應檢波電路設計

均值響應檢波電路負責獲得被測器件輸出信號的幅度。信號有效值的大小可以根據(jù)式（1）計算得到：

由于檢波器帶寬必須大于系統(tǒng)帶寬，因此，本系統(tǒng)的均值響應檢波芯片選擇AD8361[8]，其頻響范圍為0.1～2.5 GHz，內(nèi)部包含平方單元、頻帶寬度基準、差分放大器、緩沖器等。設計時，由于AD8361輸出為線性響應直流電壓，轉(zhuǎn)換增益為7.5 V/V均方根值，所以可添加一個外部濾波器電容來提升平均時間常數(shù)。檢波器電路原理如圖6所示。

3? ? 軟件方案設計

3.1? STM32F103軟件系統(tǒng)設計整體架構(gòu)

在整個系統(tǒng)中，主控制器STM32F103RCT6起著關鍵作用，它控制DDS產(chǎn)生指定頻率的掃頻信號、負責采集幅度信息、進行用戶界面更新。如圖7所示為STM32F103軟件系統(tǒng)設計整體架構(gòu)。軟件系統(tǒng)主要分為五個模塊：DDS模塊、串口通信模塊、用戶界面模塊、ADC模塊、DAC模塊。

3.2? STM32F103 單片機軟件系統(tǒng)設計

如圖8所示為STM32F103軟件系統(tǒng)主程序設計流程。上電后首先進行串口、用戶界面、ADC等外設初始化。然后，依據(jù)按鍵進行功能選擇：當設置頻率鍵按下后，輸入指定頻率，再按確認鍵便可輸出指定頻率的正弦波;當步進鍵按下后，輸出正弦波頻率以1 MHz步進;當掃頻鍵按下后，正弦波頻率逐漸上升，形成掃頻信號;當調(diào)幅鍵按下后，可改變輸出正弦波的幅度大小;當顯示鍵按下后，用戶界面上顯示被測器件的幅頻特性曲線[9];當Transmit鍵按下后，進行信息的遠程傳輸。

3.3? 接收端軟件系統(tǒng)設計

接收端一方面負責接收傳輸?shù)念l率信息;另一方面，負責采集檢波后的幅度信息，最終在UI上顯示幅頻特性曲線。單片機[10]之間通過串口進行通信，并接收頻率信息。STM32F103串口1的TXD引腳發(fā)出頻率信息，經(jīng)頻分復用遠程傳輸后，在接收端分離，然后送入接收端控制器的RXD引腳，兩者之間共地。程序流程如圖9所示。

首先，進行串口和界面初始化并使能接收中斷;然后，循環(huán)判斷是否接收到頻率信息，只要接收到頻率信息，就顯示在UI上并采集幅度信息，顯示幅頻特性曲線。

4? ? 實驗結(jié)果與分析

4.1? 測量結(jié)果

選擇上限截止頻率為15 MHz的低通濾波器作為被測器件，測量其幅頻特性曲線（信號源峰峰值為2.5 V，掃頻范圍見圖10），在本地用戶界面和示波器顯示的波形分別如圖10、圖11所示。

選擇上限截止頻率為15 MHz的低通濾波器作為被測器件（信號源峰峰值為2.5 V，掃頻范圍見圖12），幅度信息和頻率信息經(jīng)遠程傳輸后，在接收端獲取其幅頻特性，在接收端用戶界面和示波器顯示的波形分別如圖12、圖13所示。

4.2? 系統(tǒng)實測指標及誤差分析

對該系統(tǒng)輸出的信號源實際的幅度指標進行測量，比較信號源在特定頻點上輸出正弦波的峰峰值與要求峰峰值之間的誤差，測量結(jié)果如表1、表2和表3所示。結(jié)合圖14信號源幅度指標，可以得到信號源在特定頻點上輸出正弦波的峰峰值與要求峰峰值誤差均在3%以內(nèi);因此，當系統(tǒng)頻率在25 MHz以內(nèi)時，能夠穩(wěn)定輸出峰峰值在100 mV～2.5 V的正弦波，即系統(tǒng)帶寬為25 MHz，輸出正弦波峰峰值范圍為100 mV～2.5 V。

當選擇上限截止頻率為15 MHz的低通濾波器作為被測器件時，得到的幅頻特性曲線（信號源峰峰值為2.5 V，掃頻范圍見圖10）如圖10、圖11所示。當掃頻范圍為1～25 MHz，掃頻間隔為300 KHz，共80個頻點，幅頻特性曲線趨勢符合低通濾波器的特性。由于被測器件的幅度信息經(jīng)檢波后直接送入示波器顯示，因此無法準確讀出，但從用戶界面上顯示的幅頻特性曲線可知，幅度最大值接近2.5 V，與設定的信號源峰峰值2.5 V基本相同。根據(jù)頻點、掃頻間隔和幅頻特性所占格數(shù)可以大致估計，當幅度下降到最大值的0.707倍時，其頻率與15 MHz相近。由于選擇的低通濾波器的階數(shù)為7階，器件本身的誤差較小，故系統(tǒng)測量出的幅頻特性與理論特性相近，說明該幅頻特性測試系統(tǒng)工作正常。

最終，對幅頻特性遠程傳輸結(jié)果進行分析。選擇上限截止頻率為15 MHz的低通濾波器作為被測器件（信號源峰峰值2.5 V，掃頻范圍1 ～25 MHz，掃頻間隔300 KHz），本地示波器顯示的幅頻特性曲線如圖11所示，經(jīng)遠程傳輸，接收端示波器顯示的幅頻特性曲線如圖13所示。雖然雙絞線傳輸過程中存在干擾，使得下降沿處發(fā)生變形，但低通濾波器幅頻特性在遠程傳輸前后形狀基本相同。

5? ? 結(jié)語

頻率特性測試是模擬電路調(diào)試中非常重要的手段。一款好的頻率特性測試儀對于高校無線電、物理、通信、信息及電子技術等專業(yè)的教學試驗，以及科研院所的科研工作開展來說非常重要。傳統(tǒng)的模擬式幅頻特性測試設備操作不便、性能指標易受溫漂因素影響[11]，且由于價格昂貴，因而在中小規(guī)模企業(yè)和學校難以普及。本研究采用數(shù)字化技術，充分發(fā)揮主控制器片上資源的優(yōu)勢，在解決以上問題的同時，實現(xiàn)了信息的遠程傳輸。針對幅頻特性的測量要求和方法，采用STM32F103為核心控制器，以DDS集成芯片為核心器件，通過增益控制使得系統(tǒng)帶寬擴展到25 MHz。然而，相比如今集成運放芯片的寬頻帶特性而言，該系統(tǒng)帶寬依然過窄。今后可以考慮更換功能更強大的DDS芯片、完善增益控制等措施，來進一步擴展系統(tǒng)帶寬，使得系統(tǒng)擁有更廣泛的應用范圍。

參考文獻：

[1] 華成英，童詩白.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2] 趙博，黃飛，劉宏銀，等.放大電路幅頻特性測試系統(tǒng)設計[J].實驗技術與管理，2015，32（9）：59-63.

[3] 正點原子.STM32不完全手冊V3.1庫函數(shù)版本[M].廣州：廣州星翼電子科技有限公司，2014.

[4] 潘宇倩.DDS頻率合成器AD9850原理及應用[J].航天器工程，2007，16（5）：85-88.

[5] 宋雁鵬.基于單片機和DDS的高頻信號源的設計[J].電子世界，2015（13）：131-134.

[6] 胡斌.電子線路學習方法：十六 第八講 單級放大器電路分析方法[J].電子世界，2011（1）：18-19.

[7] 羅有亮，魏連魁，劉杰.基于VCA810的大動態(tài)范圍AGC電路設計[J].電子設計工程，2016，24（4）：105-107.

[8] 張玉林，鄭曉紅.AD8361-0.1～2.5 GHz真功率有效值響應器件及其使用方法[J].電子技術應用，2001（3）：73-74.

[9] HAN X，PATTERSON P. The effect of information availability in a user interface （UI） on in-vehicle task performance：a pilot study[J]. International Journal of Industrial Ergonomics，2017，61：131-141.

[10] 宋雪松，李冬明，崔長勝.手把手教你學51單片機：C語言版[M].北京：清華大學出版社，2014.

[11] 劉艷云，朱雷.基于MSP430單片機和DDS技術的頻率特性測試儀的設計[J].電子器件，2011，34（5）：521-524.

責任編輯? ? 盛? ? 艷