遠程幅頻特性測試裝置的設計與實現

張見齊 王梓晗

摘? 要 針對2017年全國電子設計競賽描述的一種遠程幅頻特性測試裝置的要求，提出一種實現方案，可用作電子信息類專業教學參考。系統由STM32作為主控;信號源采用DDS串接程控放大器，實現穩幅掃頻輸出;放大器采用衰減、低噪聲放大、功率放大的三級工作模式，實現高增益、高動態范圍的小信號放大;幅頻特性測試模塊頻率信息、AD采集信息整合后完成幅頻特性曲線的顯示。

關鍵詞 幅頻特性;測試裝置;電子設計競賽;DDS;電子信息類專業

中圖分類號：G652? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）04-0031-04

Abstract The 2017 national electronic design competition describes the requirements of a remote amplitude-frequency characteristic testing device， and this paper proposes an implementation scheme， which can be used as a reference for teaching of Electronic Infor-mation Majors. The system is controlled by STM32. Signal source adopts DDS connected program control amplifier to realize steady amplitude sweep frequency output. The amplifier adopts three-level working mode of attenuation， low noise amplification and power amplification to realize small signal amplification with high gain and high dynamic range. The amplitude frequency characteristic curve is displayed after the integration of frequency information and AD acquisition information of the amplitude frequency characteristic test module.

Key words amplitude frequency characteristic; testing device; elec-tronic design competition; DDS; electronic information majors

1 引言

隨著國家對電子信息類技術人才的專業知識與技能要求的普遍提高，全社會需要大批高素質創新型電子信息專業人才[1]。然而，傳統的授課型教育培養的畢業生已經不能滿足就業崗位的高期待、高要求，學生只會考試不會動手、缺乏合作能力、缺乏創新精神等現象暴露出當前培養模式中實驗教學環節的問題。電子設計競賽的設立較好地彌補了各高校在電子信息類專業教學實踐中的不足[2]。電子競賽采取“以賽促教”的模式，通過項目化、工程化模式，引導學生自主探究，提高參賽學生的動手能力、團隊協作能力和創新、攻關精神，非常符合電子信息類專業本科教學改革的要求。本文通過一個全國大學生電子設計競賽賽題的實現案例，來體現電子競賽對本科教學實踐的促進作用。

幅頻特性是一個電路網絡在某一頻率范圍內的幅度隨頻率變化的規律。在實際工程應用中，幅頻特性是反映電路特性的重要信息，而傳統的幅頻特性的測試受到距離限制，不能滿足幅頻信息遠距離、無線傳輸的要求。基于此情況，2017年全國大學生電子設計競賽提出一種遠程幅頻特性的測試裝置，對該裝置劃分呈如下模塊并提出相應設計要求（全國大學生電子設計競賽官方網站）。

1）信號源。輸出頻率范圍1～40 MHz，頻率步進1 MHz，幅度范圍5～100 mV可調，且具有自動掃描功能。

2）待測放大器。要求輸入阻抗600 Ω，帶寬1～40 MHz，增益40 dB，要求在0～40 dB連續可調，在電源電壓為+5 V且負載電阻為600 Ω時，輸出電壓有效值為1 V。

3）幅頻特性測試裝置。該裝置能夠實現有線、無線兩種方式的傳輸：使用有線方式傳輸時，利用雙絞線將信號源的頻率信息與放大器的輸出信號連接起來，由幅頻特性測試裝置完成對待測放大器的幅頻特性測試，且能夠在示波器上顯示放大器的幅頻特性曲線;使用無線方式傳輸時，使用Wi-Fi路由器自主搭建局域網，將信號源的頻率信息、放大器的輸出信號傳入局域網，由網絡內的電腦顯示幅頻特性。

2 系統方案

系統總框圖? 本系統由信號發生器、放大器、幅頻特性測試與遠程顯示模塊組成，系統總框圖如圖1所示。

信號發生器設計? 考慮采用數字鎖相環頻率合成技術，但鎖相環的工作周期本身是一個惰性環節，頻率轉換時間長，整個測試儀的反應速度就會很慢，而且帶寬不高。因此考慮采用數字直接頻率合成（DDS）技術[3]。AD9854是AD公司采用先進的DDS技術生產的具有高級集成度的DDS器件，它的最高工作時鐘為300 MHz，正常輸出工作頻率范圍為0～140 MHz，精度可達0.04 Hz，幅度精度可達12位。STM32單片機作為控制核心，控制AD9854芯片產生頻率步進為1 MHz、范圍為1～40 MHz、幅度恒為200 mV的點頻、掃頻正弦信號。

本系統要求實現5～100 mVpp的可調幅度輸出，為使得輸出信號噪聲小、精確度高，采用VCA821實現對信號的衰減處理。VCA821是一款電壓控制型可變增益放大器，采用單片機控制VCA821程控放大器，實現信號源5～100 mV的信號輸出，并將信息通過串行口發送至后級。

放大器設計? 若采用直接放大0～40 dB的模式，為了實現最高40 dB、40 MHz帶寬的小信號放大，必須使用兩級高增益、低噪聲的程控集成運放芯片實現。但經計算發現，當前級增益過高時，會使得后級可調增益范圍過大，無法達到對原信號0～40 dB可調的信號輸出，此方案不可行。因此，采用程控衰減、固定增益放大、程控衰減、固定增益放大、功率放大的五級放大模式。第一級、第三級程控衰減均采HMC472芯片，實現0～-33 dB的信號衰減;第二級、第四級采用ERA-SM+系列芯片，分別實現33 dB、14 dB的低噪放大;最后一級采用兩OPA2695芯片并聯，最大可達56 dB且不失真。

幅頻特性測試與遠程顯示模塊設計? 要實現頻率特性的測試，需要由本振源、待測電路、信號幅度采集、數據處理與顯示等四個模塊構成。在本系統中，由信號源作為本振源，放大器作為待測電路，采用峰值檢波模塊，對放大器的輸出信號進行對數檢波并轉換為直流電平，由STM32控制進行AD采集，將信號源發送的頻率信息與幅度數據合并為一路。有線方式傳輸時，串口接收到有線信道傳來的串口數據后，STM32控制DA將采集到的數據轉換為波形向示波器發送，以顯示幅頻特性曲線;無線方式傳輸時，STM32將數據通過Wi-Fi[4]傳輸到局域網內的筆記本電腦，顯示幅頻特性曲線。

3 系統模塊的分析與實現

信號發生器

1）DDS信號源。本系統通過STM32控制AD9854芯片，實現1 MHz頻率的步進，輸出1～40 MHz頻率范圍內的點頻或掃頻信號，同時控制寫入幅度控制字，使其實現穩幅輸出在200 mV。

信號源DDS輸出電阻為50 Ω，VCA821輸入用50 Ω電阻匹配，輸出負載600 Ω。STM32提供的控制信號實現5～100 mV的可調輸出。信號源模塊框圖如圖2所示。

2）程控衰減模塊。本系統采用VCA821對信號進行衰減處理。根據前級DDS產生的全頻帶200 mV峰峰值的輸出，需要將信號衰減6～32 dB：放大器1）輸入輸出特性分析。為了實現5～100 mV、增益0～

40 dB可調且能達到1 Vrms，則放大器應當滿足圖3所示的輸入輸出曲線。當Vmax=1 Vrms，Gmax=40 dB +9 dB =49 dB。

當輸入電壓小于10 mVpp時，放大器需要輸出0～Gmax的增益[5];當輸入電壓大于10 mVpp時，需要保證輸出為1 Vrms，則其電壓增益不再能達到49 dB，而是隨著輸入電壓的增大而減小。

2）放大鏈路設計。由于系統最大增益需達到49 dB，一級放大電路難以實現，因此需要多級放大器級聯;又根據放大器需要的輸入輸出特性可得，當輸入電壓過大時，適合小信號放大的放大器難以工作在線性區，因此采用預先程控衰減的模式，為后級放大器提供合適的輸入幅度。采用低噪聲程控放大器HMC472，實現0～-33 dB增益的程控衰減，隨后跟一固定增益低噪聲放大器。ERA-3SM+能夠實現33 dB的固定增益放大，可實現對衰減的補償至0 dB。

為了達到49 dB的鏈路總增益，以及40 dB的增益可調范圍，還需進行一級衰減，再接一級HMC472以及固定增益放大，才可以達到40 dB的增益可調控制。放大器模塊框圖如圖4所示。

3）功率放大電路。放大器在+5 V供電下需要達到1 Vrms的輸出，普通的單級運放會因為輸出接近電源電壓而產生波形削頂失真。OPA2695內含并聯的兩級運放，能夠提高輸出電壓的幅度。采用兩級OPA2695并聯，可以達到設計指標要求的輸出電壓，且提供9 dB的增益，使得系統的輸出幅度、總增益留有一定的裕量。

經過計算，系統的總增益為33 dB+14 dB+9 dB=56 dB，總衰減為（-33 dB）+（-33 dB）=-66 dB，增益變化范圍為Gmax=56 dB，Gmin=（56 dB-66 dB）=-10 dB。

幅頻特性測試儀器

1）幅頻特性測試。幅頻特性定義為信號的幅度隨頻率變化的規律。要測試放大器的幅頻特性，需要測試放大器在各個頻點上的對應輸出幅度。由于信號源的輸出幅度即放大器的輸入幅度需要保持恒定，可以保證輸出幅度的變化規律就能反應放大器的幅頻特性。只要將幅度—頻率的對應值順序顯示在示波器上，即可得到幅頻特性。

2）輸出幅度測量。放大器輸出通過峰值檢波模塊，將幅度信息轉換為對應的直流電位，并由STM32控制AD進行數據采集。

3）遠程幅頻特性顯示。系統采用UART串口通信方式，由信號源單片機產生頻率信息，并通過串口將頻率信息數據傳給后級的信號傳輸與采集模塊，該模塊將頻率信息與幅度信息的合并信息一同通過串口傳送給后級進行顯示。與后級進行有線信道傳輸時，使用衰減小、可靠性高的雙絞線進行遠距離傳輸;與后級進行無線信道傳輸時，使用Wi-Fi透傳模式[6]，將串口發送的數據直接發送至局域網內路由器或PC端服務器，實現幅頻特性顯示。

4 測試方案與測試結果

測試儀器? 測試儀器包括GWINSTEK MFG-2260 MFA函數信號發生器、GWINSTEK GDS-3504數字示波器。

測試方案、結果及分析

1）信號源。

①測試方法：分別產生1～40 MHz頻率可調、輸出幅度可調、可自動掃描的正弦波，使用示波器在測試點觀察示波器示數。

②測試條件：600 Ω負載。

③測試結果：見表1。

④分析：各指標均能實現，波形無明顯失真。

2）放大器總增益測試。

①測試方法：通過點頻測量，輸入20 MHz、10 mVpp的信號，在示波器上測其輸出。

②測試結果與分析：輸出電壓可達到2.800 Vpp（有效值1 V）以上，波形無失真。測試數據見表2。

3）放大器增益范圍測試

①測試方法：通過點頻測量，輸入20 MHz、10 mVpp的信號，調節放大器的增益，在示波器上測其輸出。

②測試結果與分析：輸出電壓可達到0.010 Vpp、

2.850 Vpp，能夠通過調節增益輸出0～49 dB增益的信號，波形無失真。測試數據見表3。

4）放大器帶寬測試。

①測試方法：通過點頻測量，輸入1 MHz、40 MHz相同幅度的信號，通過示波器測其輸出。

②測試結果與分析：在輸入幅度為100 mVpp時，輸出電壓在端點頻率處分別為2.05 Vpp、2.55 Vpp。測試數據見表4。

5）遠程幅頻特性測試裝置。首先斷開信號源模塊，用示波器標準信號源接放大器輸入端逐頻點測試放大器輸出幅度，再接自制DDS信號源進行掃頻測試，對比兩者一致性。裝置可以進行長達1.5米的遠程有線傳輸，使半徑1.5米以內的示波器可以遠程測試;或者通過無線路由器，使同一個局域網的Windows PC進行測試結果的顯示。

測試表明，示波器能夠正確顯示放大器的幅頻特性;進一步驗證表明，當電路參數變化時，曲線會跟隨其變化而變化。

5 結語

實測表明，本系統在信號源、放大器的各項性能上都可以達到甚至超過設計要求。信號源部分，其測試范圍還具有可擴展性;實測表明，AD9854的可控穩定輸出范圍能達到100 MHz，通過數控方式修正控制字，即可讓其實現穩幅輸出，以用于更廣范圍的幅頻特性測試。待測放大器部分，采用的五級放大模式能夠實現高增益、低噪聲的小信號放大，且在不同頻率下放大倍數基本不變，性能高，為高帶寬、高動態范圍的低噪聲放大提出一種良好的解決方案。在幅頻特性測試方面，幅頻信息能夠通過各類信道進行信號傳輸，在示波器、PC端顯示放大器的幅頻特性。DDS的優良性能可以實現高掃頻速度，保證幅頻曲線的刷新時間小于1秒。綜合對比示波器得到的幅頻特性結果，本裝置的頻率測試范圍更廣，且精度更高。

參考文獻

[1]馬利，楊曉峰，牛斌.電子設計競賽與實驗教學融合模式的探索[J].實驗科學與技術，2013，11（2）：141-143.

[2]劉電霆，周德儉，周婭，等.電子設計競賽對電子信息類課程體系改革的促進[J].高教論壇，2007（5）：63-67.

[3]惲小華.現代頻率合成技術綜述[J].電子學報，1995（10）：148-151.

[4]閻石.數字電子技術基礎[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[5]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.

[6]李曉陽.WiFi技術及其應用與發展[J].信息技術，2012，36（2）：196-198.