基于STM32的遠(yuǎn)程幅頻特性裝置研究

東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 高祖宇 陳俊超利泰五金制品(東莞)有限公司 盧曉智

0.前言

幅頻特性在工程中具有十分重要的意義，能夠直觀地反映出電路中某一點(diǎn)電抗性元件在相應(yīng)的頻率范圍內(nèi)實(shí)際的響應(yīng)狀況。一般來說，常用于測(cè)繪電路幅頻特性的裝置為頻譜儀。但是頻譜儀測(cè)繪的信息不能夠和其他設(shè)備共享，而且測(cè)繪的實(shí)時(shí)性較差，不利于電路系統(tǒng)的管理。因此，技術(shù)人員需要采用更加高效的方法進(jìn)行幅頻特性的測(cè)繪。本文將單片機(jī)STM32作為核心，進(jìn)行遠(yuǎn)程幅頻特性裝置的設(shè)計(jì)。

1.基于STM32的遠(yuǎn)程幅頻特性裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的裝置是將單片機(jī)STM32作為控制核心進(jìn)行幅頻特性的遠(yuǎn)程測(cè)繪，該裝置的網(wǎng)絡(luò)帶寬在1-40Hz范圍內(nèi)，并在0-40dB范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，該裝置主要有以下幾個(gè)模塊組成：

（1）DDS模塊，該模塊選用AD9959典型電路，因?yàn)樵撾娐肪邆?00MSPS的最大采樣頻率，能夠進(jìn)行200M的正弦波信號(hào)輸出，其分辨率最高可達(dá)1Hz。

（2）可增益模塊，該模塊選用VCA821型號(hào)，具備分貝線性以及高帶寬的放大器，VCA821的增益屬于可控增益。如果將最大增益設(shè)置成十倍，則放大器的理論寬帶最高可達(dá)320MHz。另外，VCA821增益電路的增益調(diào)節(jié)范圍最高可達(dá)40dB。

（3）補(bǔ)償放大電路模塊，該模塊選用電壓反饋型OPA847作為放大電路，該電路具備高增益穩(wěn)定以及較高的帶寬，最高增益帶寬積為3.9GHz。如果將放大倍數(shù)設(shè)置為20，則理論帶寬最高為195MHz，而且OPA847的輸入電壓噪聲僅有0.85Nv/rtHz。由此可以看出，該放大電路具備良好的放大性能以及前級(jí)匹配。

（4）有效值檢波模塊，該模塊選用AD8307作為有效值檢波芯片，能夠在1-500M的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。

（5）單電源運(yùn)放模塊，該模塊主要分為兩級(jí)，第一級(jí)采用型號(hào)為AD8367的壓控增益放大器，該放大器為單電源模式，當(dāng)放大倍數(shù)設(shè)置為100時(shí)，最高帶寬為500M；第二級(jí)采用電流反饋型運(yùn)放OPA695，該電路的壓擺率高達(dá)4300V/μs，能夠輸出1Vrms。當(dāng)增益倍數(shù)設(shè)為0時(shí)，最高帶寬可達(dá)450MHz[1]。

2.基于STM32的遠(yuǎn)程幅頻特性裝置的模塊設(shè)計(jì)

2.1 DDS模塊的設(shè)計(jì)

DDS模塊主要使用STM32單片機(jī)負(fù)責(zé)芯片的編程，實(shí)現(xiàn)AD9959的掃頻功能與點(diǎn)頻輸出功能。與此同時(shí)，筆者還在AD9959電路中設(shè)置了5-1.8V以及5-3.3V的電壓轉(zhuǎn)換電路，為芯片的運(yùn)行提供電力；設(shè)置了4個(gè)9階的濾波器，避免電路受到高次諧波的不利影響。

2.2 放大器模塊的設(shè)計(jì)

在該裝置中，為了實(shí)現(xiàn)線路帶寬和連續(xù)可調(diào)的功能，將放大器模塊分為以下兩個(gè)部分設(shè)計(jì)：

（1）可控增益電路。因?yàn)檠b置的連續(xù)可調(diào)范圍為0-40dB，所以可增益電路的線性范圍設(shè)定為-20-20dB，并采用10作為可控增益電路的放大倍數(shù)。因?yàn)橹绷骺刂齐妷旱姆秶?-2V，所以0V相對(duì)應(yīng)的倍數(shù)是0.1；2V相對(duì)應(yīng)的倍數(shù)是10。本文選用的可控增益電是VCA821，具備一定的低通幅頻特性，所以不需要安裝低通濾波器或者高通濾波器，只需要進(jìn)行反饋電阻的大小調(diào)整，確保可控增益電路能夠在40M的位置進(jìn)行-3dB的衰減，就可以保障帶寬的范圍為1-40MHz。一般來說，反饋電阻值得大小既會(huì)對(duì)遠(yuǎn)程幅頻特性裝置的輸入范圍造成影響，還會(huì)對(duì)幅頻特性造成影響。反饋電阻值越大，裝置輸入的動(dòng)態(tài)范圍就越大。

（2）高通電路。在進(jìn)行高通電路的設(shè)計(jì)時(shí)，裝置中應(yīng)用了無源RC電路，并將電阻值設(shè)置為50Ω，但是電阻在進(jìn)行阻抗匹配過程中，會(huì)出現(xiàn)差值損耗，需要通過補(bǔ)償放大電路進(jìn)行損耗的補(bǔ)償，補(bǔ)償放大倍數(shù)的倍數(shù)設(shè)定為20就能夠滿足裝置的設(shè)計(jì)要求，即增益在0-40dB范圍內(nèi)。

2.3 有效值檢波模塊的設(shè)計(jì)

通過上述分析可知，裝置在運(yùn)行過程中，聯(lián)級(jí)之間存在一定的差值損耗。而且在裝置在被測(cè)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行時(shí)，需要將信號(hào)幅度的變化狀況實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在示波器上，通過示波器具備的xy觸發(fā)功能，將裝置中的掃頻信號(hào)變化轉(zhuǎn)化成鋸齒波，鋸齒波可以和檢波之后的信號(hào)相互疊加，這時(shí)電路就會(huì)進(jìn)行有效值幅度的輸出。從本質(zhì)角度而言，這一過程就是功率值和直流電平輸出之間的轉(zhuǎn)換。一般來說，直流電平輸出和功率值輸入為線性關(guān)系，具體的關(guān)系公式如下：

其中，VY是指輸出-輸入曲線的斜率，VX是輸出-輸入曲線的截距。

2.4 單電源運(yùn)放模塊的設(shè)計(jì)

通過上述分析可知，本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程幅頻特性裝置采用的單電源芯片型號(hào)分別是AD8367以及OPA695。因?yàn)閱坞娫吹妮敵鲭妷河行е敌枰_(dá)到1V，單電源提供的信號(hào)源幅度最高是100mV，所以單電源的整體增益是28。因此，本文將芯片AD8367的增益設(shè)置為最高，即：9倍；考慮到級(jí)間損耗，將芯片OPA695的增益設(shè)置為7倍。另外，芯片AD8367的輸出具備雙極性，所以在進(jìn)行運(yùn)放模塊的第二級(jí)時(shí)，還需要保障電壓的單極性。因此，筆者參考相關(guān)的電壓設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，將芯片OPA695電路的電壓設(shè)置成1.4V。也就是說，單電源運(yùn)放模塊的輸出信號(hào)是將1.4V作為中心。

2.5 信號(hào)模塊子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)于遠(yuǎn)程幅頻特性裝置而言，信號(hào)源的頻率信息以及輸出信號(hào)都需要由雙絞線進(jìn)行接收，但是雙絞線有且只有一條，所以本文應(yīng)用加法器按照1：1的比例進(jìn)行合成。當(dāng)雙絞線對(duì)兩類信息采取合成操作之后，再通過雙絞線進(jìn)行傳輸。也就是說，這兩種輸出信號(hào)通過組合濾波實(shí)現(xiàn)無線傳輸。其中，芯片STM32主要應(yīng)用串口數(shù)據(jù)傳輸方式和ATK-RM04進(jìn)行通信。這一通信模塊主要有AP、STA以及AP+STA這三種模式。本文選擇STA模式開展工作。在STA模式工作的過程中，主要是與無線路由器進(jìn)行連接，并將無線路由器看做是網(wǎng)關(guān)，對(duì)WIFI模塊上的TCP數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，將其轉(zhuǎn)發(fā)到局域網(wǎng)內(nèi)主機(jī)的端口位置。也就是說，筆記本電腦可以利用無線網(wǎng)卡和無線路由器進(jìn)行連接，并獲取相應(yīng)的IP地址，通過指定的端口接收單片機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。

2.6 π型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行π型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮阻抗的變化以及阻抗的匹配，還需要考慮可調(diào)整幅度進(jìn)行的變換。因?yàn)棣行途W(wǎng)絡(luò)的輸出需要穩(wěn)定在200mV，可以將200mV作為基準(zhǔn)進(jìn)行電阻最值的計(jì)算，從而得出電位器的最佳取值。為了和同軸線的特征阻抗大小相匹配，π型網(wǎng)絡(luò)的兩端電阻設(shè)定為50Ω。通過上文分析可知，DDS模塊的輸出需要穩(wěn)定在200mV，為了使輸出維持在5-100mV，在最大分壓比時(shí)1：2、最小分壓比是1：40的情況下，得出電位器電阻的最大值是120Ω、最小值時(shí)13.8Ω。因此，本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程幅頻特性裝置的電位器選擇電阻值為20kΩ規(guī)格的。

2.7 程序設(shè)計(jì)

在軟件程序設(shè)計(jì)中，需要進(jìn)行DDS模塊的控制與A/D采樣，并通過D/A進(jìn)行幅頻特性曲線的繪制。因此，筆者將輸出頻率可調(diào)與點(diǎn)頻輸出設(shè)置為兩路，其中一路通過被測(cè)網(wǎng)絡(luò)，另一路則產(chǎn)生鋸齒波，用于示波器的顯示，兩路有效值檢波共同組成直流電平輸出，將其進(jìn)行計(jì)算之后，即可得到增益，從而轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的模擬量，進(jìn)行繪圖的輸出[2]。

3.基于STM32的遠(yuǎn)程幅頻特性裝置的模擬測(cè)試

為了明確本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程幅頻特性裝置的性能，筆者在負(fù)載為600Ω下，對(duì)裝置進(jìn)行了如下測(cè)試：

第一，信號(hào)源性能測(cè)試，通過示波器顯示的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該裝置能夠產(chǎn)生1-40M范圍內(nèi)的掃頻信號(hào)，其中，DDS產(chǎn)生信號(hào)的幅度范圍是5-100mV。

第二，被測(cè)網(wǎng)絡(luò)帶寬測(cè)試，在測(cè)試過程中，AD9959負(fù)責(zé)產(chǎn)生掃頻信號(hào)，將π型網(wǎng)絡(luò)的正弦信號(hào)設(shè)置為100mV，通過放大器放大之后進(jìn)行帶寬測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果顯示：被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的帶寬在1.1-39.5M范圍內(nèi)，滿足裝置的標(biāo)準(zhǔn)要求。

第三，被測(cè)網(wǎng)絡(luò)增益測(cè)試，在裝置中輸入10MHz且峰峰值范圍為10mV-1V的正弦波信號(hào)，通過放大器將其放大之后，該正弦波信號(hào)的峰峰值能夠達(dá)到1V，這就表明放大器的增益效益符合標(biāo)準(zhǔn)。

第四，幅頻特性測(cè)試，將裝置的各個(gè)模塊依次連接，利用AD9959具備的掃頻功能，對(duì)π型網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)行正弦波信號(hào)設(shè)置，確保其輸出峰峰值是10mV和200mV，通過示波器顯示的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，裝置呈現(xiàn)出帶通結(jié)構(gòu)趨勢(shì)，符合兩個(gè)截止頻率的要求。

第五，單電源放大器測(cè)試，使用信號(hào)源模塊（即DDS模塊以及π型網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行10MHz且峰峰值是100mV的正弦波信號(hào)輸出，放大器的單電源進(jìn)行+5V的供電，此時(shí)的輸出電壓是1V，且電壓的波形不失真，表明裝置的電源符合標(biāo)準(zhǔn)[3]。

4.結(jié)論

綜上所述，傳統(tǒng)的幅頻特性測(cè)繪方式存在較多的不足，要求技術(shù)人員進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。通過本文的分析可知，將單片機(jī)STM32作為核心，將DDS作為掃頻信號(hào)源，應(yīng)用有效值檢波模塊對(duì)幅頻特性信息進(jìn)行采集與傳輸，再通過雙絞線以及無線網(wǎng)絡(luò)將這一信息遠(yuǎn)程輸送給筆記本電腦，大大提高了幅頻特性信息的時(shí)效性，真正實(shí)現(xiàn)了信息的共享。本文的分析仍舊不夠全面，僅供參考。

[1]方華.一種遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2017,14(28)：1-2.

[2]曾繁明,吳曉軍,趙河明,韓廣超.基于Padé近似法的零階保持器幅頻特性仿真[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2017,17(16)：275-278.

[3]王海梅.一種單管共射放大電路的幅頻特性研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2016(12)：5-7.