基于STM32的頻率特性測試儀的設計

吳涵旭 屈樂樂 韓磊 崔思堯 楊研

摘要：本文提出了一種實用性頻率特性測試儀的設計方案。該設計通過分析掃頻信號輸出性能指標，對相應的信號源和電流型反饋運算放大電路進行結合，使用繼電器控制Π型阻抗匹配網絡，從而實現了輸入和輸出衰減網絡。為了增加測試功能，采用兩片AD8302芯片的方法測量相位差和相位極性。采取STM32處理器作為中央處理器，使整體結構更為簡單，解決了國內低頻頻率特性測試儀功能簡單、體積較大、價格昂貴等問題。

關鍵詞：STM32;頻率特性測試儀;AD8302

中圖分類號：TN828.6 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）11-0120-02

0 引言

頻率特性測試儀是專門用于測量電子設備中某些電路頻率特性的專用儀器。低頻數字頻率特性測試儀測試信號范圍一般在10MHz以下，在現代電子教學實驗和工業測量中應用廣泛，例如一些音頻設備的生產中，就常常需要用到低頻掃描儀來檢測其產品的性能。國外用來測試系統頻率特性的儀器主要集中在射頻，微波以及更高頻率，低頻范圍內的產品比較少，并且價格昂貴，操作復雜。

1 系統總體方案

本儀器主要分為以下五個部分：DDS掃頻信號源、幅度相位檢測電路、鍵盤旋鈕及LCD、ARM9S3C2440控制及數字處理電路。系統框圖如圖1所示。

待測信號首先經過DDS掃頻信號源，轉變成正弦信號輸出。一部分信號送到其內部的輸出衰減網絡中，這部分的作用主要為保護幅度相位檢測電路和改變輸入信號的幅值達到可被幅度相位檢測電路測量;另一部分信號直接傳輸到幅度相位檢測電路中，然后將檢測之后的信號一起發送給ARM9S3C2440控制器及數字處理電路中，把模擬信號轉變成數字信號，便于最終的處理和分析。最后把處理好的數據通過LCD顯示出來。

2 硬件部分

系統采用AD9854作為信號源，因為它具有高速、高性能等優點，可以線性調頻，很適合作系統的信號發生器件。DDS的工作模式由處理器控制，在實現掃描功能時，DDS處于掃頻模式。為了增大儀器的測量范圍并降低失真度，輸出信號放大電路選擇的是電流反饋型。對于輸出信號的衰減量的控制是由輸入、輸出衰減與增益電路實現的，這部分電路和放大電路一樣也并不影響輸入信號的相頻特性。系統的幅度相位檢測電路采用了兩片AD8032增益相位檢測器。系統采用32個按鍵來控制和處理輸出信號，主要采用中斷程序是實現測試的功能。旋鈕電路由響應外部中斷的方法控制，并通過改變高低電平實現相應的功能。最后系統通過在LCD屏上顯示被測輸入信號的頻率完成全部測試功能。

3 軟件部分

系統的軟件部分主要由主程序、中斷子程序、串行口子程序、A/D轉換子程序和LCD數碼管顯示子程序等組成。系統的主程序首先將LCD、AD9854和片內ADC進行初始化設置，接下來通過按鍵選擇測試模式。A/D轉換子程序的作用是對片內的ADC裝配，將輸入的模擬信號轉化為數字信號，以便于對測量信號的采樣處理。數碼管顯示子程序主要把最終的測試結果顯示在LCD電子屏上。軟件的主程序流程圖如圖2所示。

4 系統調試

使用的測試儀器有：萬用表、示波器、四通道數字示波器、頻率特性測試儀SP30120。

4.1 點頻測量

主要測1MHz～40MHz的頻帶內，RLC串聯諧振電路每個頻點對應的增益和相移值。頻帶內余弦信號峰峰值誤差≤5%，即幅頻測量絕對值誤差≤0.5dB;相位測量值均在85°以上，相頻測量誤差絕對值≤5°。

4.2 RLC串聯諧振掃頻測量

實際的相頻和幅頻特性類似于帶通濾波電路的特性曲線。如圖3所示，被測網絡的中心頻率19.2MHz，誤差的絕對值≤5%;帶寬4.9MHz，計算得到的有載品質因數Q=3.9，誤差的絕對值≤5%，有載最大電壓增益為-0.34dB。

4.3 誤差分析

首先是正交信號幅值平坦度問題;測試基于正交信號，輸出應保證頻帶內幅值沒有明顯紋波抖動，若濾波電路通帶內出現較大波紋抖動，截止頻率沒有達到要求，就無法保證通帶內幅值平坦，從而產生誤差。其次是不等幅測量誤差;當兩個輸入信號幅度不相等時，幅度大的信號可能會覆蓋幅度小的信號，造成混頻后的信號誤差。最后是直流分量誤差;在乘法混頻電路中，要求信號不能有直流分量，但由于乘法器輸出本身就有直流分量，所以會導致最后的測試結果產生相應的誤差。

5 結語

本儀器采用STM32單片機作為中央處理器，使用2片AD8302芯片的方法測量相位差和相位極性，依靠零中頻正交解調的原理，解決了測試功能單一，整體結構復雜，價格昂貴等問題。本儀器可以測量1-50MHz的模擬信號，可用手動用按鍵調節測量模式，測試結果可以通過液晶LCD模塊清晰的顯示出。并且實現了測量過程系統穩定、數字化和功耗相對較低等優點。在各行各業具有廣泛的應用空間和良好的市場前景。

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