一種基于STM32的便攜式遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試儀設(shè)計(jì)

孫東勝 于婉婷 崔淵 陳祝洋 錢(qián)錚

摘? ? 要：針對(duì)幅頻特性的測(cè)量要求和方法，采用STM32F103為核心控制器，以DDS集成芯片為核心器件，并與程控放大器組合，在STM32的控制下，構(gòu)成幅度可調(diào)節(jié)、頻率可連續(xù)變化的信號(hào)源，以滿足不同被測(cè)器件的輸入要求。利用AD8361均值響應(yīng)檢波器獲取被測(cè)器件輸出端的幅度信息;采用STM32內(nèi)部AD實(shí)時(shí)采集檢波器輸出的幅度信息;利用示波器的X-Y顯示方式，搭配STM32內(nèi)部自帶DA輸出的鋸齒波，在示波器上顯示幅頻特性曲線。利用頻分復(fù)用合并被測(cè)器件的幅度信息和頻率信息，通過(guò)雙絞線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，在接收端利用濾波器分離兩路信號(hào);在接收端的液晶屏上制作了一個(gè)UI界面，在UI界面上描繪幅頻特性曲線。通過(guò)采用數(shù)字化技術(shù)，充分發(fā)揮了主控制器片上資源的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了信息的遠(yuǎn)程傳輸。

關(guān)鍵詞：DDS;STM32;均值響應(yīng)檢波;幅頻特性;頻分復(fù)用;UI

中圖分類(lèi)號(hào)：TN721? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-7394（2021）02-0025-09

隨著電子科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，集成運(yùn)放制造工藝日益精進(jìn)，各種高性能的集成運(yùn)算放大器層出不窮。集成運(yùn)算放大器采用直接耦合方式，具有很高的電壓放大倍數(shù)，通常的硬件電路設(shè)計(jì)尤其是信號(hào)處理電路都離不開(kāi)運(yùn)算放大器的選擇。由于放大電路中電抗元件的存在，放大電路對(duì)不同頻率分量的信號(hào)其放大能力是不同的，放大電路輸出信號(hào)的幅度也就成為頻率的函數(shù)，稱(chēng)之為幅頻特性[1]，它是運(yùn)放的關(guān)鍵指標(biāo)之一;此外，濾波器、高頻調(diào)諧器等電路器件的選擇均需要考慮其幅頻特性是否滿足需求。因此，在現(xiàn)代電子測(cè)量中，有關(guān)幅頻特性的測(cè)量占有重要地位。本文設(shè)計(jì)了以STM32為控制核心的遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試儀，可有效滿足電子系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)共享的需求[2]，從而能夠提高管理效率。

1? ? 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，主控制器STM32F103通過(guò)送頻率控制字給DDS，使其產(chǎn)生正弦信號(hào)，再經(jīng)程控放大器VCA810，構(gòu)成頻率可變、幅度可調(diào)節(jié)的掃頻信號(hào)，作為幅頻特性測(cè)試儀的信號(hào)源。

信號(hào)源通過(guò)被測(cè)器件后，在輸出端用幅度測(cè)量模塊AD8361獲取幅度信息，并經(jīng)STM32F103片內(nèi)AD采集[3]，送本地端用戶(hù)界面模塊顯示幅頻特性曲線。同時(shí)，可將幅度信息直接送至示波器Y端口，在STM32F103片內(nèi)DA輸出鋸齒波的配合下，通過(guò)示波器顯示幅頻特性曲線。此外，將被測(cè)器件輸出的幅度信息和STM32F103給出的頻率信息經(jīng)加法器相加后，實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用，送雙絞線進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。接收端利用低通濾波器獲取頻率信息，利用高通濾波器獲取幅度信息，經(jīng)AD8361檢波后送接收端用戶(hù)界面顯示幅頻特性曲線。

2? ? 單元電路分析與設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)各個(gè)模塊需要不同的直流供電電源，所以單獨(dú)設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)供電電源電路。利用USB口的兩根電源線，將5 V電源引腳和GND引腳用排針引出，以便于給其他模塊供電。如圖2為電壓轉(zhuǎn)換電路原理。將雙口USB線連接通用插頭為整個(gè)系統(tǒng)供電;同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)需要，將USB口提供的5 V電壓轉(zhuǎn)換成-5 V電壓。LTC公司的一款電源管理芯片LTC660可實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓轉(zhuǎn)換功能，本次設(shè)計(jì)即采用同類(lèi)型芯片。

2.2? DDS信號(hào)源電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，為DDS信號(hào)源電路原理。DDS芯片采用AD9850[4]，使其工作在最高時(shí)鐘狀態(tài)，即125 MHz。為了提高數(shù)據(jù)寫(xiě)入速率，選擇8位并行寫(xiě)入方式，其控制字共有40位數(shù)據(jù)，包括32位頻率控制字和8位相位控制字。STM32F103只需按照時(shí)序依次將40位數(shù)據(jù)寫(xiě)入，AD9850即可輸出指定頻率的正弦波[5]。

2.3? 程控放大器電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，為放大部分電路原理。程控放大器主芯片采用VCA810，VCA810是德州儀器公司生產(chǎn)的一款放大器，具有寬帶、低失調(diào)電壓和增益可調(diào)節(jié)等特點(diǎn)[6]。值得一提的是，其增益調(diào)節(jié)功能非常方便，只需在芯片3腳上提供特定的直流電壓即可實(shí)現(xiàn)-40～40 dB的線性增益控制，增益控制準(zhǔn)確度達(dá)到±1 dB。在±5 V電源供電條件下，增益控制電壓從0 V變化到-2 V時(shí)，增益從-40 dB線性地變化到+40 dB[7]。后級(jí)接OPA820運(yùn)放芯片，起到緩沖作用并提高帶負(fù)載能力。

由圖4可知，信號(hào)從SMA接口S1接入，經(jīng)VCA810放大后，再接入OPA820同相端，以提高信號(hào)的帶負(fù)載能力，最終經(jīng)S4接口輸出。

由于VCA810的增益控制電壓從0 V變化到-2 V，因此，DAC輸出的電壓需經(jīng)過(guò)反相才可接入VCA810的3腳。設(shè)計(jì)選用運(yùn)放芯片OP07構(gòu)成反相器，如圖5所示為反相器電路原理。由圖5可知，DAC輸出的增益控制信號(hào)從J12引腳接入，經(jīng)OP07反相后，接入VCA810的3腳，從而實(shí)現(xiàn)程控放大。

2.4? 均值響應(yīng)檢波電路設(shè)計(jì)

均值響應(yīng)檢波電路負(fù)責(zé)獲得被測(cè)器件輸出信號(hào)的幅度。信號(hào)有效值的大小可以根據(jù)式（1）計(jì)算得到：

由于檢波器帶寬必須大于系統(tǒng)帶寬，因此，本系統(tǒng)的均值響應(yīng)檢波芯片選擇AD8361[8]，其頻響范圍為0.1～2.5 GHz，內(nèi)部包含平方單元、頻帶寬度基準(zhǔn)、差分放大器、緩沖器等。設(shè)計(jì)時(shí)，由于AD8361輸出為線性響應(yīng)直流電壓，轉(zhuǎn)換增益為7.5 V/V均方根值，所以可添加一個(gè)外部濾波器電容來(lái)提升平均時(shí)間常數(shù)。檢波器電路原理如圖6所示。

3? ? 軟件方案設(shè)計(jì)

3.1? STM32F103軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體架構(gòu)

在整個(gè)系統(tǒng)中，主控制器STM32F103RCT6起著關(guān)鍵作用，它控制DDS產(chǎn)生指定頻率的掃頻信號(hào)、負(fù)責(zé)采集幅度信息、進(jìn)行用戶(hù)界面更新。如圖7所示為STM32F103軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體架構(gòu)。軟件系統(tǒng)主要分為五個(gè)模塊：DDS模塊、串口通信模塊、用戶(hù)界面模塊、ADC模塊、DAC模塊。

3.2? STM32F103 單片機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖8所示為STM32F103軟件系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程。上電后首先進(jìn)行串口、用戶(hù)界面、ADC等外設(shè)初始化。然后，依據(jù)按鍵進(jìn)行功能選擇：當(dāng)設(shè)置頻率鍵按下后，輸入指定頻率，再按確認(rèn)鍵便可輸出指定頻率的正弦波;當(dāng)步進(jìn)鍵按下后，輸出正弦波頻率以1 MHz步進(jìn);當(dāng)掃頻鍵按下后，正弦波頻率逐漸上升，形成掃頻信號(hào);當(dāng)調(diào)幅鍵按下后，可改變輸出正弦波的幅度大小;當(dāng)顯示鍵按下后，用戶(hù)界面上顯示被測(cè)器件的幅頻特性曲線[9];當(dāng)Transmit鍵按下后，進(jìn)行信息的遠(yuǎn)程傳輸。

3.3? 接收端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接收端一方面負(fù)責(zé)接收傳輸?shù)念l率信息;另一方面，負(fù)責(zé)采集檢波后的幅度信息，最終在UI上顯示幅頻特性曲線。單片機(jī)[10]之間通過(guò)串口進(jìn)行通信，并接收頻率信息。STM32F103串口1的TXD引腳發(fā)出頻率信息，經(jīng)頻分復(fù)用遠(yuǎn)程傳輸后，在接收端分離，然后送入接收端控制器的RXD引腳，兩者之間共地。程序流程如圖9所示。

首先，進(jìn)行串口和界面初始化并使能接收中斷;然后，循環(huán)判斷是否接收到頻率信息，只要接收到頻率信息，就顯示在UI上并采集幅度信息，顯示幅頻特性曲線。

4? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1? 測(cè)量結(jié)果

選擇上限截止頻率為15 MHz的低通濾波器作為被測(cè)器件，測(cè)量其幅頻特性曲線（信號(hào)源峰峰值為2.5 V，掃頻范圍見(jiàn)圖10），在本地用戶(hù)界面和示波器顯示的波形分別如圖10、圖11所示。

選擇上限截止頻率為15 MHz的低通濾波器作為被測(cè)器件（信號(hào)源峰峰值為2.5 V，掃頻范圍見(jiàn)圖12），幅度信息和頻率信息經(jīng)遠(yuǎn)程傳輸后，在接收端獲取其幅頻特性，在接收端用戶(hù)界面和示波器顯示的波形分別如圖12、圖13所示。

4.2? 系統(tǒng)實(shí)測(cè)指標(biāo)及誤差分析

對(duì)該系統(tǒng)輸出的信號(hào)源實(shí)際的幅度指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，比較信號(hào)源在特定頻點(diǎn)上輸出正弦波的峰峰值與要求峰峰值之間的誤差，測(cè)量結(jié)果如表1、表2和表3所示。結(jié)合圖14信號(hào)源幅度指標(biāo)，可以得到信號(hào)源在特定頻點(diǎn)上輸出正弦波的峰峰值與要求峰峰值誤差均在3%以?xún)?nèi);因此，當(dāng)系統(tǒng)頻率在25 MHz以?xún)?nèi)時(shí)，能夠穩(wěn)定輸出峰峰值在100 mV～2.5 V的正弦波，即系統(tǒng)帶寬為25 MHz，輸出正弦波峰峰值范圍為100 mV～2.5 V。

當(dāng)選擇上限截止頻率為15 MHz的低通濾波器作為被測(cè)器件時(shí)，得到的幅頻特性曲線（信號(hào)源峰峰值為2.5 V，掃頻范圍見(jiàn)圖10）如圖10、圖11所示。當(dāng)掃頻范圍為1～25 MHz，掃頻間隔為300 KHz，共80個(gè)頻點(diǎn)，幅頻特性曲線趨勢(shì)符合低通濾波器的特性。由于被測(cè)器件的幅度信息經(jīng)檢波后直接送入示波器顯示，因此無(wú)法準(zhǔn)確讀出，但從用戶(hù)界面上顯示的幅頻特性曲線可知，幅度最大值接近2.5 V，與設(shè)定的信號(hào)源峰峰值2.5 V基本相同。根據(jù)頻點(diǎn)、掃頻間隔和幅頻特性所占格數(shù)可以大致估計(jì)，當(dāng)幅度下降到最大值的0.707倍時(shí)，其頻率與15 MHz相近。由于選擇的低通濾波器的階數(shù)為7階，器件本身的誤差較小，故系統(tǒng)測(cè)量出的幅頻特性與理論特性相近，說(shuō)明該幅頻特性測(cè)試系統(tǒng)工作正常。

最終，對(duì)幅頻特性遠(yuǎn)程傳輸結(jié)果進(jìn)行分析。選擇上限截止頻率為15 MHz的低通濾波器作為被測(cè)器件（信號(hào)源峰峰值2.5 V，掃頻范圍1 ～25 MHz，掃頻間隔300 KHz），本地示波器顯示的幅頻特性曲線如圖11所示，經(jīng)遠(yuǎn)程傳輸，接收端示波器顯示的幅頻特性曲線如圖13所示。雖然雙絞線傳輸過(guò)程中存在干擾，使得下降沿處發(fā)生變形，但低通濾波器幅頻特性在遠(yuǎn)程傳輸前后形狀基本相同。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

頻率特性測(cè)試是模擬電路調(diào)試中非常重要的手段。一款好的頻率特性測(cè)試儀對(duì)于高校無(wú)線電、物理、通信、信息及電子技術(shù)等專(zhuān)業(yè)的教學(xué)試驗(yàn)，以及科研院所的科研工作開(kāi)展來(lái)說(shuō)非常重要。傳統(tǒng)的模擬式幅頻特性測(cè)試設(shè)備操作不便、性能指標(biāo)易受溫漂因素影響[11]，且由于價(jià)格昂貴，因而在中小規(guī)模企業(yè)和學(xué)校難以普及。本研究采用數(shù)字化技術(shù)，充分發(fā)揮主控制器片上資源的優(yōu)勢(shì)，在解決以上問(wèn)題的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了信息的遠(yuǎn)程傳輸。針對(duì)幅頻特性的測(cè)量要求和方法，采用STM32F103為核心控制器，以DDS集成芯片為核心器件，通過(guò)增益控制使得系統(tǒng)帶寬擴(kuò)展到25 MHz。然而，相比如今集成運(yùn)放芯片的寬頻帶特性而言，該系統(tǒng)帶寬依然過(guò)窄。今后可以考慮更換功能更強(qiáng)大的DDS芯片、完善增益控制等措施，來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)帶寬，使得系統(tǒng)擁有更廣泛的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1] 華成英，童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2] 趙博，黃飛，劉宏銀，等.放大電路幅頻特性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（9）：59-63.

[3] 正點(diǎn)原子.STM32不完全手冊(cè)V3.1庫(kù)函數(shù)版本[M].廣州：廣州星翼電子科技有限公司，2014.

[4] 潘宇倩.DDS頻率合成器AD9850原理及應(yīng)用[J].航天器工程，2007，16（5）：85-88.

[5] 宋雁鵬.基于單片機(jī)和DDS的高頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)[J].電子世界，2015（13）：131-134.

[6] 胡斌.電子線路學(xué)習(xí)方法：十六 第八講 單級(jí)放大器電路分析方法[J].電子世界，2011（1）：18-19.

[7] 羅有亮，魏連魁，劉杰.基于VCA810的大動(dòng)態(tài)范圍AGC電路設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（4）：105-107.

[8] 張玉林，鄭曉紅.AD8361-0.1～2.5 GHz真功率有效值響應(yīng)器件及其使用方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2001（3）：73-74.

[9] HAN X，PATTERSON P. The effect of information availability in a user interface （UI） on in-vehicle task performance：a pilot study[J]. International Journal of Industrial Ergonomics，2017，61：131-141.

[10] 宋雪松，李冬明，崔長(zhǎng)勝.手把手教你學(xué)51單片機(jī)：C語(yǔ)言版[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[11] 劉艷云，朱雷.基于MSP430單片機(jī)和DDS技術(shù)的頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].電子器件，2011，34（5）：521-524.

責(zé)任編輯? ? 盛? ? 艷