簡易信號發生器及手持信號檢測儀

長春理工大學電子信息工程學院 張海鵬 單文童 喬君豐

簡易信號發生器及手持信號檢測儀

長春理工大學電子信息工程學院 張海鵬 單文童 喬君豐

該手持式信號檢測裝置的包括自制信號發生器、濾波放大電路、信號檢測裝置。信號發生器采用的核心器件是DDS系統，其中AD9851模塊可以實現正弦信號和方波信號，我們通過STC89C52改變信號控制字實現信號頻率和信號幅度的大小調節，來產生被測信號和干擾信號；使用加法電路將干擾信號疊加到被測信號中；信號檢測裝置核心器件是stm32單片機，通過stm32控制算法和外圍電路共同實現A/D轉換，信號采集等功能，從受干擾的被測信號中提取出有效電壓。由1602液晶顯示及按鍵構成的頻率、幅度可調的簡易信號發生器，正弦信號調節范圍為10Hz～10KHz，方波信號的調節范圍為10HZ～10KHz；步進多種可選，有1Hz、10Hz、10KHZ等；正弦信號有效值10mV～1000mV可調。該信號檢測裝置檢測簡單，適用于小信號電壓有效值檢測。

信號發生器；DDS系統；51及stm32單片機控制；信號采集處理

1 系統模塊化方案

本系統由信號合成模塊、調制模塊、信號采集、AD轉換及顯示模塊、電源模塊等組成。通過信號源輸出噪聲信號及待測信號混合，從而采集待測信號。分別論證上述模塊的選擇與比對。

1.1 信號合成的論證方案

方案一：可以用晶體管、運放IC等通用器件制作，如L8038，具有0.001Hz～300KHz頻率的輸出范圍。但其功能較少，精度不是很高。

方案二：利用單片集成芯片的函數發生器功能，能產生多種波形，頻率范圍大，便于調試。如MAX038，具有0.1Hz～20MHz頻率的輸出范圍，頻率可以達到更高的技術指標，精度好，輸出的任意波形幅度為2V（p-p）。

方案三：利用專用直接數字合成DDS芯片的函數發生器，能產生任意波形并達到很高的頻率，輸出頻率相對帶寬較寬，輸出的頻率寬帶為50%fc，DDS是一個開環系統，無任何反饋環節，因此頻率轉換時間短；頻率分辨極高，相位變化連續、頻率信號很穩定。

綜合以上三種方案的優劣，我們選擇方案三。

1.2 信號源系統的控制芯片

方案一：采用STC89C52單片機，1）具有8K字節在系統編程的Flash內部程序存儲器，32根可編程I/O線；三個16位定時器/計數器。2）51系列編程較為簡潔，方便。

方案二：AVR內部嵌高質量的Flash程序存儲器，單片機的I/O線帶有可設置的上拉電阻、可設定高輸入、驅動能力強等特性，使得I/O口資源靈活、功能強大。而且例程資源眾多。但價格較貴，程序相對STC89C52系列復雜。

方案三：stm32單片機是一種高性能，處理速度快，最高工作頻率可達72MHz；低功耗，3種低功耗模式，分別是休眠、停止、待機模式。擁有3個12位us級的A/D轉換器，其中A/D測量范圍為0～3.6V雙采樣和保持力；最多多達13個通信接口、11個定時器，功能十分強大，在市場上，stm32的價格不算太高。

綜合以上三種方案，我們選擇方案一作為信號合成輸入控制端，方案三可用于電壓采集和顯示模塊。

1.3 信號調制模塊

信號調制模塊分為幅度調節模塊、純電阻分壓模塊、濾波模塊、AD637電壓有效值轉換模塊。

LF353P芯片設計的調幅電路用于提高所得被測信號的幅度，得到符合要求的被測信號；純電阻分壓電路用于直接降低干擾信號的幅度，這種方法簡單實用；

用LM358芯片制作的濾波電路用于被測信號和干擾信號合成后，用于濾除掉干擾信號；AD637模塊是一個有效值轉換器。方便后面電路有效值的采集。

1.4 電壓采集和顯示模塊的論證與選擇

方案一：采用89C51單片機；

方案二：arm系統stm32處理，根據設計要求，顯示數據刷新時間不超過1秒，并且stm32可以使用簡單外設就能實現A/D轉換。

綜合以上二種方案，選擇方案二。

1.5 加法器模塊

LM358的應用范圍包括傳感放大器、直流和其他所有可用于單電源供電的運放使用。包括兩個高增益、獨立的、內部頻率補償的雙運放。它有內部頻率補償、地輸入偏流、地輸入失調電壓和失調電流等特點，適用于電壓范圍很寬的單電源，同樣適用于雙電源工作。本設計采用LM358來制作加法器。

1.6 電源模塊

（1）信號源電源是由變壓器、濾波電路、穩壓電路等組成的獨立電源。為整個系統提供±5V或者±12V電壓，以及2個USB插孔，確保電路的正常穩定工作。三端穩壓器件加裝散熱片。

（2）信號檢測裝置電源采用18650P電池，后接MC34063A芯片設計的升壓電路，為檢測裝置提供單獨的穩定電壓。

2 系統理論分析與計算

2.1 DDS信號合成的分析

2.1.1 信號合成原理分析

DDS將數字波形經轉換器形成模擬量波形.通過改變尋址的步長來改變輸出信號的頻率。將相位累加器的相位信息映射為數字幅度字，進而驅動DAC。輸出階梯形波形，經低通(帶通)濾波，成為質量符合需要的模擬波形。通過兩組DDS輸出被測信號與干擾信號，相當于信號源的兩條通道。通過疊加，濾波等處理后，輸出。

2.1.2 信號合成控制分析

本設計中的信號合成采用DDS技術直接合成，前面提到只需改變M寄存器中的內容就可以得到相應頻率信號，直接用STC89C52單片機即可實現。

2.2 參數計算

2.2.1 信號發生器輸出頻率的計算

設相位累加器的位寬為2N，sin表的大小為2p，累加器的高P位用于尋址sin表，時鐘Clock的頻率為fc，若以M點為步長，產生的信號頻率為：

M稱為頻率控制字。

2.2.2 相對誤差的計算

被測信號幅度均方根值為U0，檢測裝置測得有效值為U，即可得相對誤差為：

3 電路與程序設計

3.1 電路總體設計

3.1.1 系統設計圖（見圖1）

系統總框圖（圖1）。

信號合成子系統框圖（圖2）。

信號合成子系統電路（圖3）。

3.1.2 信號調理子系統框圖與電路原理圖（見圖2）

3.2 信號發生器及部分信號檢測儀電路（見圖3）

程序功能描述：

信號發生器部分：按鍵輸入控制字得到相應信號。

1）鍵盤實現功能：步進設置頻率值、電壓值。

2）顯示部分：顯示電壓值、頻段、步進值、頻率。

信號采集部分：對信號進行A/D轉換然后采集到電壓有效值。

圖1 系統總框圖

圖2 信號合成子系統框圖

4 測試方案與測試結果

4.1 測試方案

（1）硬件測試

1）簡易信號發生器通過示波器，毫伏表檢查；

2）通過實驗室RIGOL信號源模擬被測信號和干擾信號，利用示波器檢測加法器、濾波器輸出波形。

（2）軟件測試

用實驗室信號源模擬信號，接入stm32觀察LCD顯示器是否準確。

（3）硬件軟件聯調

自制信號發生器輸出被測信號和干擾信號，用示波器和毫伏表測量有并記錄；然后被測信號接入調幅，干擾信號接入純電阻分壓模塊，之后兩信號疊加，用示波器測量電壓有效值并記錄，最后接入手持信號檢測裝置，觀察LCD顯示電壓數值。

圖3 信號合成子系統電路

4.2 測試檢查與儀器使用

測試檢查：多次核查，仿真電路圖和外圍電路要與系統原理圖一致。各子模塊直接連接完好。顯示，輸入等無損壞。

測試儀器：數字毫伏表，模擬示波器，數字示波器，數字萬用表，指針式萬用表等。

4.3 測試結果分析

4.3.1 測試數據

被測信號頻率1000Hz干擾信號為10mv 100Hz正弦（單位/mv）

理論值 1000 900 795 703 608 500 401 304 270 103 84測量值 1002 896 792 700 606 499 402 306 272 110 91相對誤差 0.002 0.004 0.0037 0.004 0.003 0.002 0.003 0.007 0.007 0.068 0.083

4.3.2 測試分析與結論

根據上述的測試數據，粗略計算出相對誤差，可以得出以下結論：（1）被測信號幅度調節滿足10mv～1000mv；（2）當被測信號幅度小于100mv時，相對誤差較大，大于5%，當被測信號幅度大于100mv時，相對誤差基本小于1%。

綜上所述，本設計基本達到設計要求。