基于STM32的頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

吳涵旭 屈樂(lè)樂(lè) 韓磊 崔思堯 楊研

摘要：本文提出了一種實(shí)用性頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)通過(guò)分析掃頻信號(hào)輸出性能指標(biāo)，對(duì)相應(yīng)的信號(hào)源和電流型反饋運(yùn)算放大電路進(jìn)行結(jié)合，使用繼電器控制Π型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出衰減網(wǎng)絡(luò)。為了增加測(cè)試功能，采用兩片AD8302芯片的方法測(cè)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(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，解決了國(guó)內(nèi)低頻頻率特性測(cè)試儀功能簡(jiǎn)單、體積較大、價(jià)格昂貴等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：STM32;頻率特性測(cè)試儀;AD8302

中圖分類號(hào)：TN828.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）11-0120-02

0 引言

頻率特性測(cè)試儀是專門用于測(cè)量電子設(shè)備中某些電路頻率特性的專用儀器。低頻數(shù)字頻率特性測(cè)試儀測(cè)試信號(hào)范圍一般在10MHz以下，在現(xiàn)代電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)測(cè)量中應(yīng)用廣泛，例如一些音頻設(shè)備的生產(chǎn)中，就常常需要用到低頻掃描儀來(lái)檢測(cè)其產(chǎn)品的性能。國(guó)外用來(lái)測(cè)試系統(tǒng)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(nèi)的產(chǎn)品比較少，并且價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜。

1 系統(tǒng)總體方案

本儀器主要分為以下五個(gè)部分：DDS掃頻信號(hào)源、幅度相位檢測(cè)電路、鍵盤旋鈕及LCD、ARM9S3C2440控制及數(shù)字處理電路。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

待測(cè)信號(hào)首先經(jīng)過(guò)DDS掃頻信號(hào)源，轉(zhuǎn)變成正弦信號(hào)輸出。一部分信號(hào)送到其內(nèi)部的輸出衰減網(wǎng)絡(luò)中，這部分的作用主要為保護(hù)幅度相位檢測(cè)電路和改變輸入信號(hào)的幅值達(dá)到可被幅度相位檢測(cè)電路測(cè)量;另一部分信號(hào)直接傳輸?shù)椒认辔粰z測(cè)電路中，然后將檢測(cè)之后的信號(hào)一起發(fā)送給ARM9S3C2440控制器及數(shù)字處理電路中，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，便于最終的處理和分析。最后把處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)LCD顯示出來(lái)。

2 硬件部分

系統(tǒng)采用AD9854作為信號(hào)源，因?yàn)樗哂懈咚佟⒏咝阅艿葍?yōu)點(diǎn)，可以線性調(diào)頻，很適合作系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器件。DDS的工作模式由處理器控制，在實(shí)現(xiàn)掃描功能時(shí)，DDS處于掃頻模式。為了增大儀器的測(cè)量范圍并降低失真度，輸出信號(hào)放大電路選擇的是電流反饋型。對(duì)于輸出信號(hào)的衰減量的控制是由輸入、輸出衰減與增益電路實(shí)現(xiàn)的，這部分電路和放大電路一樣也并不影響輸入信號(hào)的相頻特性。系統(tǒng)的幅度相位檢測(cè)電路采用了兩片AD8032增益相位檢測(cè)器。系統(tǒng)采用32個(gè)按鍵來(lái)控制和處理輸出信號(hào)，主要采用中斷程序是實(shí)現(xiàn)測(cè)試的功能。旋鈕電路由響應(yīng)外部中斷的方法控制，并通過(guò)改變高低電平實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。最后系統(tǒng)通過(guò)在LCD屏上顯示被測(cè)輸入信號(hào)的頻率完成全部測(cè)試功能。

3 軟件部分

系統(tǒng)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(zhuǎn)換子程序和LCD數(shù)碼管顯示子程序等組成。系統(tǒng)的主程序首先將LCD、AD9854和片內(nèi)ADC進(jìn)行初始化設(shè)置，接下來(lái)通過(guò)按鍵選擇測(cè)試模式。A/D轉(zhuǎn)換子程序的作用是對(duì)片內(nèi)的ADC裝配，將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以便于對(duì)測(cè)量信號(hào)的采樣處理。數(shù)碼管顯示子程序主要把最終的測(cè)試結(jié)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(tǒng)調(diào)試

使用的測(cè)試儀器有：萬(wàn)用表、示波器、四通道數(shù)字示波器、頻率特性測(cè)試儀SP30120。

4.1 點(diǎn)頻測(cè)量

主要測(cè)1MHz～40MHz的頻帶內(nèi)，RLC串聯(lián)諧振電路每個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的增益和相移值。頻帶內(nèi)余弦信號(hào)峰峰值誤差≤5%，即幅頻測(cè)量絕對(duì)值誤差≤0.5dB;相位測(cè)量值均在85°以上，相頻測(cè)量誤差絕對(duì)值≤5°。

4.2 RLC串聯(lián)諧振掃頻測(cè)量

實(shí)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(cè)網(wǎng)絡(luò)的中心頻率19.2MHz，誤差的絕對(duì)值≤5%;帶寬4.9MHz，計(jì)算得到的有載品質(zhì)因數(shù)Q=3.9，誤差的絕對(duì)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(hào)幅值平坦度問(wèn)題;測(cè)試基于正交信號(hào)，輸出應(yīng)保證頻帶內(nèi)幅值沒(méi)有明顯紋波抖動(dòng)，若濾波電路通帶內(nèi)出現(xiàn)較大波紋抖動(dòng)，截止頻率沒(méi)有達(dá)到要求，就無(wú)法保證通帶內(nèi)幅值平坦，從而產(chǎn)生誤差。其次是不等幅測(cè)量誤差;當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)幅度不相等時(shí)，幅度大的信號(hào)可能會(huì)覆蓋幅度小的信號(hào)，造成混頻后的信號(hào)誤差。最后是直流分量誤差;在乘法混頻電路中，要求信號(hào)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(huì)導(dǎo)致最后的測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。

5 結(jié)語(yǔ)

本儀器采用STM32單片機(jī)作為中央處理器，使用2片AD8302芯片的方法測(cè)量相位差和相位極性，依靠零中頻正交解調(diào)的原理，解決了測(cè)試功能單一，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等問(wèn)題。本儀器可以測(cè)量1-50MHz的模擬信號(hào)，可用手動(dòng)用按鍵調(diào)節(jié)測(cè)量模式，測(cè)試結(jié)果可以通過(guò)液晶LCD模塊清晰的顯示出。并且實(shí)現(xiàn)了測(cè)量過(guò)程系統(tǒng)穩(wěn)定、數(shù)字化和功耗相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)。在各行各業(yè)具有廣泛的應(yīng)用空間和良好的市場(chǎng)前景。

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