放大電路幅頻特性測試系統設計

趙 博, 黃 飛, 劉宏銀, 劉士興

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院, 安徽 合肥 230009)

放大電路幅頻特性測試系統設計

趙 博, 黃 飛, 劉宏銀, 劉士興

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院, 安徽 合肥 230009)

設計了一種基于嵌入式處理器控制的放大電路幅頻特性測試系統。采用DDS技術搭配一款模擬乘法器為待測放大電路提供頻率、幅值、波形可調的輸入信號。信號頻率步長為0.04 Hz,輸出范圍為0.04Hz～12.5 MHz。待測放大電路輸出信號首先通過精密全波整流濾波電路進行處理,然后經嵌入式處理器內置ADC采樣處理,采樣精度最高可達0.8 mV,以實現交流信號幅值測量和幅頻特性曲線的LCD顯示。本系統數字集成高,成本低,且操作簡單,在高校電子信息類專業的教學中可以得到廣泛的應用。

幅頻特性； 嵌入式處理器； DDS； 全波整流

線性放大電路被廣泛應用于電路設計中,然而對不同頻率的信號同一放大電路的放大能力卻存在差異,當信號頻率下降或上升到一定程度時,電壓放大倍數的數值將減小，即放大電路放大倍數是信號頻率的函數,通頻帶就是用來描述電路對不同頻率信號適應能力的動態參數[1]。放大倍數和通頻帶是比較放大電路性能優劣的兩項重要指標,兩者的關系可用放大電路幅頻特性曲線表示。通常測試放大電路幅頻特性有掃頻法和點頻法[2-3]。

掃頻法是保持一定的輸入信號幅度,連續地增大或減小輸入信號的頻率,當響應信號的幅度為正常輸出信號幅值的0.707倍時,得到上下限頻率fH、fL及通頻帶fH-fL。該方法可連續操作,但無法直觀地觀察放大倍數與通頻帶的關系。

點頻法是按一定間隔由小到大改變輸入信號的頻率,測試各個頻率點上輸出信號與輸入信號的振幅比。以頻率為橫坐標,以振幅比為縱坐標,逐點描繪出幅頻特性曲線。該方法雖可直觀反映放大倍數與通頻帶的關系,但若采點過于離散則容易漏掉某些特性突變點。

本文在點頻法的基礎上,結合數字掃頻技術,設計了一種基于嵌入式處理器控制的放大電路幅頻特性測試系統。它比以往由LC電路構成的模擬頻率特性測試儀具有電路簡單、體積小、成本低等特點。

1 測試系統的體系結構

在本次設計中,選用了基于要求高性能、低成本、為低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核的STM32F103“增強型”系列芯片作為系統的嵌入式控制單元。該系列芯片時鐘頻率可達到72 MHz,是同類產品中性能最高的產品。內存包括64 KB～256 KB閃存和 20 KB～64 KB嵌入式靜態隨機儲存器(SRAM)。此外它還具有2個12位模數轉換器(ADC)、2個12位數模轉換器(DAC)和9個通信接口,可以滿足設計需要[4]。

如圖1所示,在主控芯片的控制下DDS信號產生電路輸出頻率連續變化、幅度可調的信號(正弦波、三角波、方波)。信號通過待測放大電路后,輸出信號經過精密整流濾波處理后被嵌入式控制單元采集處理,最終顯示圖表。

圖1 運算放大器幅頻特性測試系統原理框圖

1.1 DDS信號產生電路

為了能得到頻率可調的任意波形(本系統采用的是方波信號),采用美國ADI直接數字式頻率合成(direct digital synthesizer,DDS)芯片AD9833作為波形發生電路的核心。AD9833是一款低功耗、可編程波形發生器,能夠輸出正弦波、三角波和方波,輸出頻率和相位可通過軟件進行編程,調整簡單[5]。

嵌入式控制單元通過一個三線式SPI總線向AD9833寫入數據,分別為SDATA、SCLK和FSYNC,它們可以與DSP和微處理器標準兼容。其中SDATA是串行數據輸入端,16位串行數據字施加于此輸入。SCLK是串行時鐘輸入端,數據在SCLK的各下降沿逐個輸入AD9833。FSYNC是低電平有效控制輸入端,當FSYNC變為低電平時即告知內部邏輯正在向器件中載入新數據字[6]。

此外,AD9833內部還有5個可編程寄存器,其中1個16位控制寄存器，供用戶配置AD9833的操作，2個28位頻率寄存器和2個12位相位寄存器,通過對控制寄存器數據字的寫入既可以選擇使用哪個頻率寄存器和相位寄存器,也可以選擇輸出信號的波形及設置，改變輸出信號的頻率與相位[7]。AD9833的信號頻率模擬輸出為

fMCLK/228×FREQEG

(1)

其中FREQEG是載入所選頻率寄存器的值。

此信號會經過如下相位偏移處理:

2π/212×PHASEREG

(2)

其中PHASEREG是所選相位寄存器的值。此外,fMCLK為主頻數字時鐘頻率,本系統外接10MHz有源晶振電路,使得頻率輸出分辨率可達到0.04Hz。AD9833軟件驅動流程如圖2所示。

圖2 AD9833軟件驅動流程圖

在嵌入式控制單元的控制下AD9833輸出幅值固定、頻率可調的信號。為了信號幅值能夠高精度調節,本系統中利用主控芯片內置數模轉換器(DAC)搭配一款完整的四象限電壓輸出模擬乘法器AD835型芯片來實現[8]。信號幅值放大或縮小倍數取決于主控芯片數模轉換器(DAC)的模擬輸出,DDS信號產生電路原理圖見圖3。

本系統中選用的主控芯片是具有ARMCortex-M3內核的STM32F103系列芯片,其本身內置2個12位數模轉換器(DAC),利用對其數據字的寫入就可以實現一個模擬電壓量的輸出,輸出函數為

(3)

其中：VREFIN為數模轉換器(DAC)的參考電壓,即為主控芯片STM32F103的工作電壓3.3V；D為寫入的數據字大小,軟件可根據實際需要編程設置,以實現12位模擬電壓幅值的調節。

四象限電壓輸出模擬乘法器AD835可以產生X和Y電壓輸入的線性乘積,傳遞函數為

(4)

圖3 DDS信號產生電路原理圖

如圖3所示,在本次設計中AD835的X2、Y2、Z引腳全部接地,并且當Z=0時,比例因子U=1。公式(4)可簡化為

(5)

根據上述推導,AD9833輸出信號和主控芯片模擬電壓量輸出兩路相乘信號改為單端對地輸入到乘法器AD835中(X1=V1,Y1=V2),即可根據需要實現對DDS信號幅值的調制,以滿足實驗要求。

1.2 精密整流濾波電路

考慮到系統成本,同時受到模數轉換器(ADC)采樣速率限制,在本設計中通過精密整流濾波電路對放大后輸出的交流信號進行整流濾波處理,將其轉化為直流信號間接測量交流信號幅值。圖4為常用的精密整流電路。

圖4 精密整流濾波電路

其工作原理:首先運算放大器A1實現半波精密整流電路功能,當輸入信號Ui>0時,二極管D1截止、D2導通,A1的輸出U1<0,且U1=-2Ui;反之,Ui<0時,U1=0。其次,運算放大器A2實現反向求和運算,得到Uo=-(Ui+U1),實現全波整流[1]。最后,輸出端并聯濾波電容,使輸出電壓信號更加趨于平滑、穩定。當信號源的頻率改變時,放大器輸出信號的幅度發生變化,相應的整流得到的直流信號的大小隨之改變,實現對不同頻率下放大信號幅值的采集和數據分析。

由運算放大器構成的精密整流電路利用放大器的放大作用和深度負反饋雖然可以克服二極管非線性所帶來的誤差,卻不能完全消除[9]。經實驗驗證,在輸入信號Ui過零附近,因兩個二極管D1、D2同時截止而使運算放大器A1突然工作在開環狀態,從而產生較強的干擾信號,致使電路失去整流作用。實驗現象如圖5所示,整流濾波輸出的直流信號每半個周期會有一段短暫的“下陷”現象,會給實驗結果帶來誤差。

圖5 整流濾波輸出“下陷”現象

為了克服上述現象，在本設計中利用一個模擬單刀雙擲開關來對放大后輸出的交流信號進行全波整流處理[10],不再使用二極管,避免了二極管非線性所帶來的誤差。改進型全波整流電路見圖6。

將待整流的方波信號接入到模擬開關的輸入引腳a,當模擬開關的控制引腳A為高電平時,輸入信號通過a1引腳輸出；當控制引腳A為低電平時,輸入信號通過a2引腳輸出。設計中，使DDS產生的方波信號同時輸入到模擬開關的輸入引腳a和控制引腳A中,使得控制信號與待整流信號同步,這樣輸出引腳a1、a2的輸出波形分別為輸入信號的正、負半周,即實現了半波整流。然后再將a1、a2輸出的半波信號分別輸入到儀表放大器的正、負引腳,一倍放大后即可實現全波整流。Multisim軟件仿真波形見圖7,其中CH1通道為輸入信號Ui,CH2通道為輸出信號Uo。

圖6 改進型全波整流電路

圖7 改進型全波整流仿真波形

1.3 控制單元數據采集與處理

本系統數據的采集與處理完全由主控芯片STM32F103來完成[11]。在系統初始化之后首先會控制DDS信號產生電路輸出一個較低頻率(10 Hz)的方波,通過數模轉換器(ADC)采集直流輸出信號,經平均值濾波[12]后與輸入信號作比較,得出中頻放大倍數。然后對DDS信號產生電路設置240級頻率輸出,每個頻率下的輸出信號同樣經過平均值濾波,最后經過歸一化處理在LCD上顯示圖表[13]。由于主控芯片內置12位模數轉換器(ADC),因此采樣精度最高可達到3.3/212V,其中3.3 V為主控芯片工作電壓。工作流程如圖8所示。

圖9是測試信號(上述方波)通過待測放大電路1倍放大后,經整流濾波處理,最后被嵌入式控制單元采集處理后顯示的幅頻特性曲線,圖中f為信號頻率,Au為幅值比,Aum為電路放大倍數。

圖8 數據采集與處理工作流程圖

圖9 測試系統LCD圖表顯示

2 結束語

本文設計的以嵌入式主控芯片STM32F103為核心的放大電路幅頻特性測試系統,利用直接數字頻率合成(DDS)技術、全波整流原理以及AD采樣技術,實現了對待測放大電路幅頻特性曲線的繪制。系統測試信號最小步長為0.04 Hz,最大輸出頻率可達到12.5 MHz,采樣精度最高可達到0.8 mV。較傳統的頻率特性測試儀數字集成度更高、結構更簡單,且成本更低,可應用于本科生的相關專業的教學實驗中。

References)

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Design of testing system of amplitude-frequency characteristics

Zhao Bo, Huang Fei, Liu Hongyin, Liu Shixing

(School of Electronic Science and Applied Physics,Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The testing system of amplitude-frequency characteristics based on the embedded processor is designed.The input signal,of which the frequency,amplitude and waveform are adjustable,is generated by the DDS technology and an analog multiplier.The step frequency of the input signal is 0.04 Hz,and the range is from 0.04 Hz to 12.5 MHz.The output signal is carried out by the precision full-wave rectification and filter circuit,and converted from AC into DC after sampling and processing by the ADC of the embedded processor.The sampling precision is up to 0.8 mV,and the amplitude measurement of the AC signal and the LCD display of the amplitude-frequency characteristics curve are accomplished.This system has high digital integration, low cost, simple operation,etc.It can be widely used in the teaching of electronic information major in colleges and universities.

amplitude-frequency characteristics； embedded processor；DDS；full-wave rectification

2015- 01- 13 修改日期：2015- 03- 12

國家自然科學面上基金項目(61371025)資助；安徽高校省級自然科學研究重點項目(KJ2012Z316)資助

趙博(1988—)，男，遼寧沈陽，碩士研究生，研究方向為可編程器件與系統設計

E-mail：onepiecezb@126.com

劉士興(1969—)，男，安徽宿州，博士，副教授，研究方向為無線傳感網絡及其應用.

E-mail：liusx@hfut.edu.cn

TM935

A

1002-4956(2015)9- 0059- 05