電子測量與儀器實驗教學平臺的設計與實踐

唐 源 羅相誠

（桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

近幾十年以來，計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，使電子測量技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的變化。計算機網(wǎng)絡技術(shù)與電子測量儀器相互結(jié)合，構(gòu)造了新一代的智能化儀器和自動化測試系統(tǒng)。目前，國外電子測量實驗教學平臺主要以發(fā)展虛擬儀器實驗平臺為主，它是以現(xiàn)代電子測量技術(shù)為基礎，充分利用計算機強大的計算能力和LabVIEW模塊化編程方式及交互式界面的設計方法，實現(xiàn)了一個功能完善、自動測試、使用方便、高效的虛擬儀器實驗平臺。國內(nèi)的電子測量實驗教學平臺主要以示波器、信號源等通用測試設備為主，設備功能齊全、操作簡單，但輸入輸出接口較單一，不利用組建復雜的綜合性測試系統(tǒng)，因此開設的實驗項目也以驗證性實驗為主。隨著計算機與通信技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的實驗教學平臺將向可遠程控制、虛擬化與智能化發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用STM32單片機作為主控器，控制DDS芯片產(chǎn)生正弦、三角、方波等波形信號，波形參數(shù)可通過按鍵模塊實現(xiàn)相關(guān)的配置修改，輸出參數(shù)則可以通過液晶屏直觀顯示；利用單片機內(nèi)部定時器，對被測信號進行脈沖的計數(shù)，實現(xiàn)頻率的測量；設計信號調(diào)理電路，對于直流電壓輸入信號進行調(diào)理，并通過ADC實現(xiàn)信號的采集，經(jīng)主控器處理后在液晶屏顯示，實現(xiàn)直流電壓的采集與顯示；檢波電路主要包括均值檢波、有效值檢波和峰值檢波電路，主要是通過OP07、AD637等器件以及相應的外圍電路來實現(xiàn)相應的功能電路；整形電路原理也較為簡單，通過比較器電路及相應的濾波，實現(xiàn)對正弦等非方波信號轉(zhuǎn)換為方波信號；移相器電路則實現(xiàn)了對信號波形相位的調(diào)理。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

以理論教學內(nèi)容為導向，設計滿足實驗教學的各功能模塊電路，通過各功能模塊組建復雜的綜合性或設計性實驗。平臺的功能電路決定了開設實驗項目的種類與性質(zhì)，而功能電路的穩(wěn)定性則會直接影響實驗的正常開展。下面以信號發(fā)生器和直流電壓表模塊為例，對實驗平臺功能模塊的設計進行探討與研究。

2.1 信號發(fā)生器電路設計

直接數(shù)字頻率合成（DDS）的理論基礎是奈奎斯特采樣定理和數(shù)字頻率合成定理。根據(jù)采樣定理，可以認為采樣定理的逆向運用就是直接數(shù)字頻率合成技術(shù)。DDS技術(shù)就是利用那些完成了信號的采樣和數(shù)字量化之后的量化信號，在一些技術(shù)手段下，將其恢復到原始的信號。

DDS基本的工作結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。DDS的結(jié)構(gòu)包括基準時鐘源、N位加法器、N位相位寄存器、波形存儲器（ROM）、高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和低通濾波器（LPF）。輸出信號波形的產(chǎn)生是相位逐漸累加的結(jié)果，這由加法器與相位寄存器共同實現(xiàn)，各個波形的抽樣值(二進制編碼)存儲波形存儲器，波形存儲器的取樣地址是由N位加法器和N位相位寄存器在共同作用下輸出的，K值決定著從波形存儲器中讀取數(shù)據(jù)的頻率，K值越大，那么相位的步進就越快，輸出信號波形的頻率就越高，將這些抽樣值取出通過高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），就能實現(xiàn)數(shù)字量的波形抽樣值到模擬量波形信號的輸出。低通濾波器（LPF）主要的作用是濾除輸出信號中不必要的抽樣分量。因為DDS集成電路內(nèi)部主要采用了集成數(shù)字器件，它不容易受到外部干擾，只要輸入基準時鐘穩(wěn)定，其輸出的信號頻率就穩(wěn)定。同時，它能輸出的頻率很高且易于控制。

圖2 DDS基本的工作結(jié)構(gòu)框圖

2.2 直流電壓表電路設計

直流電壓表用于測量電壓的ADC芯片不采用獨立的ADC芯片，而是采用單片機內(nèi)部集成的12位ADC，所以該直流電壓表外部電路較簡單。將STM32單片機的PA1口配置為單片機內(nèi)部ADC1的通道1，可實現(xiàn)對0～3.3V的直流電壓測量。為了不讓被測直流電壓信號輸入過大的電流燒壞單片機，所以在單片機的I/O口前連接了一個電阻，這個電阻R51在這個電路中主要起限制電流的作用。同時，對輸入信號進行調(diào)理，保證輸入信號在ADC輸入范圍內(nèi)。由于本系統(tǒng)要求測量的精度不高，所以內(nèi)部ADC電路的基準電壓就用單片機電源電壓。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 信號發(fā)生器程序模塊

如圖3所示為信號發(fā)生器程序模塊的流程圖。開始工作時，首先對相關(guān)參數(shù)變量進行初始化配置，如定義該函數(shù)所需要用到的變量值，對顯示屏進行清屏，以及初始化顯示相關(guān)波形的信息。不斷地檢測矩陣鍵盤的按鍵是否有按下，當有按鍵按下時，單片機計算對應鍵值，并根據(jù)鍵值解碼為對應的信號參數(shù)，如頻率值、幅值、波形類型等。單片機根據(jù)對應參數(shù)對AD9833的寄存器進行讀寫操作，改變輸出波形信號的參數(shù)，同時將相應參數(shù)顯示在液晶屏。

圖3 信號發(fā)生器程序模塊的流程圖

3.2 電壓表程序模塊

如圖4所示為電壓表程序模塊流程圖，首先對ADC進行相應的初始化配置，如采樣率、采集通道等。啟動ADC轉(zhuǎn)換器，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，然后讀取ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并根據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系對結(jié)果進行換算處理，得到輸入電壓值，將電壓值顯示在液晶顯示屏。

圖4 電壓表程序模塊流程圖

4 系統(tǒng)測試

4.1 信號發(fā)生器頻率測試

為驗證信號發(fā)生器相關(guān)指標參數(shù)是否能滿足實驗教學要求，對正弦、三角波、方波三種波形信號在100Hz至1MHz范圍內(nèi)的頻率進行了測量，并通過標準儀器進行測試比對。標準儀器選擇Agilent的數(shù)字頻率計53220A。該儀器具有2個350 MHz輸入通道，12位/秒分辨率。測量結(jié)果如表1所示。

表1 信號發(fā)生器輸出頻率表

根據(jù)表1中的測量結(jié)果及相對誤差數(shù)據(jù)，可以看出本實驗平臺中信號發(fā)生器的正弦波、三角波和方波三種波形信號輸出頻率的精度較高。信號波形無明顯失真，且幅值可通過按鍵模塊手動調(diào)節(jié)。

4.2 直流電壓表測試

采用直流穩(wěn)壓電源輸出測試點電壓值，并通過電壓表功能模塊和標準儀器分別對測試點電壓值進行測量。標準儀器采用Agilent六位半臺式萬用表34401A。測試數(shù)據(jù)及相對誤差如表2所示。

表2 直流電壓表電壓測量數(shù)據(jù)表

以臺式萬用表34401A測量值作為真值，通過對比表2中電壓表模塊與臺式萬用表所測的電壓值數(shù)據(jù)，電壓表模塊測量精度較高，在0.5V至3V范圍內(nèi)，相對誤差可達0.4%。

5 結(jié)語

實驗平臺主要用于電子測量與儀器實驗教學，根據(jù)實驗平臺各功能模塊，可以組建或開設設計性和綜合性的電子測量與儀器實驗項目，本實驗平臺具有以下優(yōu)點：系統(tǒng)運行穩(wěn)定、具有防電源反接、功能電路實驗模塊齊全、數(shù)據(jù)顯示界面直觀易懂、信號發(fā)生器輸出信號頻率設置方便、頻率計輸出范圍較寬以及輸出信號頻率精度高等。經(jīng)測試驗證，本實驗平臺能夠滿足電子測量與儀器實驗教學的需求，并且為電子類課程的實驗教學提供了一種有效的應用方案。