一種基于STM32的便攜式遠程幅頻特性測試儀設計

孫東勝 于婉婷 崔淵 陳祝洋 錢錚

摘? ? 要：針對幅頻特性的測量要求和方法，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，構成幅度可調節、頻率可連續變化的信號源，以滿足不同被測器件的輸入要求。利用AD8361均值響應檢波器獲取被測器件輸出端的幅度信息;采用STM32內部AD實時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。利用頻分復用合并被測器件的幅度信息和頻率信息，通過雙絞線實現遠程傳輸，在接收端利用濾波器分離兩路信號;在接收端的液晶屏上制作了一個UI界面，在UI界面上描繪幅頻特性曲線。通過采用數字化技術，充分發揮了主控制器片上資源的優勢，實現了信息的遠程傳輸。

關鍵詞：DDS;STM32;均值響應檢波;幅頻特性;頻分復用;UI

中圖分類號：TN721? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-7394（2021）02-0025-09

隨著電子科學技術的高速發展，集成運放制造工藝日益精進，各種高性能的集成運算放大器層出不窮。集成運算放大器采用直接耦合方式，具有很高的電壓放大倍數，通常的硬件電路設計尤其是信號處理電路都離不開運算放大器的選擇。由于放大電路中電抗元件的存在，放大電路對不同頻率分量的信號其放大能力是不同的，放大電路輸出信號的幅度也就成為頻率的函數，稱之為幅頻特性[1]，它是運放的關鍵指標之一;此外，濾波器、高頻調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，在現代電子測量中，有關幅頻特性的測量占有重要地位。本文設計了以STM32為控制核心的遠程幅頻特性測試儀，可有效滿足電子系統參數實時共享的需求[2]，從而能夠提高管理效率。

1? ? 系統方案設計

如圖1所示，主控制器STM32F103通過送頻率控制字給DDS，使其產生正弦信號，再經程控放大器VCA810，構成頻率可變、幅度可調節的掃頻信號，作為幅頻特性測試儀的信號源。

信號源通過被測器件后，在輸出端用幅度測量模塊AD8361獲取幅度信息，并經STM32F103片內AD采集[3]，送本地端用戶界面模塊顯示幅頻特性曲線。同時，可將幅度信息直接送至示波器Y端口，在STM32F103片內DA輸出鋸齒波的配合下，通過示波器顯示幅頻特性曲線。此外，將被測器件輸出的幅度信息和STM32F103給出的頻率信息經加法器相加后，實現頻分復用，送雙絞線進行遠程傳輸。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AD8361檢波后送接收端用戶界面顯示幅頻特性曲線。

2? ? 單元電路分析與設計

2.1? 系統電源電路設計

由于本系統各個模塊需要不同的直流供電電源，所以單獨設計了一個系統供電電源電路。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為電壓轉換電路原理。將雙口USB線連接通用插頭為整個系統供電;同時，根據系統需要，將USB口提供的5 V電壓轉換成-5 V電壓。LTC公司的一款電源管理芯片LTC660可實現負電壓轉換功能，本次設計即采用同類型芯片。

2.2? DDS信號源電路設計

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

2.3? 程控放大器電路設計

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的一款放大器，具有寬帶、低失調電壓和增益可調節等特點[6]。值得一提的是，其增益調節功能非常方便，只需在芯片3腳上提供特定的直流電壓即可實現-40～40 dB的線性增益控制，增益控制準確度達到±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，增益從-40 dB線性地變化到+40 dB[7]。后級接OPA820運放芯片，起到緩沖作用并提高帶負載能力。

由圖4可知，信號從SMA接口S1接入，經VCA810放大后，再接入OPA820同相端，以提高信號的帶負載能力，最終經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輸出的電壓需經過反相才可接入VCA810的3腳。設計選用運放芯片OP07構成反相器，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從J12引腳接入，經OP07反相后，接入VCA810的3腳，從而實現程控放大。

2.4? 均值響應檢波電路設計

均值響應檢波電路負責獲得被測器件輸出信號的幅度。信號有效值的大小可以根據式（1）計算得到：

由于檢波器帶寬必須大于系統帶寬，因此，本系統的均值響應檢波芯片選擇AD8361[8]，其頻響范圍為0.1～2.5 GHz，內部包含平方單元、頻帶寬度基準、差分放大器、緩沖器等。設計時，由于AD8361輸出為線性響應直流電壓，轉換增益為7.5 V/V均方根值，所以可添加一個外部濾波器電容來提升平均時間常數。檢波器電路原理如圖6所示。

3? ? 軟件方案設計

3.1? STM32F103軟件系統設計整體架構

在整個系統中，主控制器STM32F103RCT6起著關鍵作用，它控制DDS產生指定頻率的掃頻信號、負責采集幅度信息、進行用戶界面更新。如圖7所示為STM32F103軟件系統設計整體架構。軟件系統主要分為五個模塊：DDS模塊、串口通信模塊、用戶界面模塊、ADC模塊、DAC模塊。

3.2? STM32F103 單片機軟件系統設計

如圖8所示為STM32F103軟件系統主程序設計流程。上電后首先進行串口、用戶界面、ADC等外設初始化。然后，依據按鍵進行功能選擇：當設置頻率鍵按下后，輸入指定頻率，再按確認鍵便可輸出指定頻率的正弦波;當步進鍵按下后，輸出正弦波頻率以1 MHz步進;當掃頻鍵按下后，正弦波頻率逐漸上升，形成掃頻信號;當調幅鍵按下后，可改變輸出正弦波的幅度大小;當顯示鍵按下后，用戶界面上顯示被測器件的幅頻特性曲線[9];當Transmit鍵按下后，進行信息的遠程傳輸。

3.3? 接收端軟件系統設計

接收端一方面負責接收傳輸的頻率信息;另一方面，負責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[10]之間通過串口進行通信，并接收頻率信息。STM32F103串口1的TXD引腳發出頻率信息，經頻分復用遠程傳輸后，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，進行串口和界面初始化并使能接收中斷;然后，循環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? ? 實驗結果與分析

4.1? 測量結果

選擇上限截止頻率為15 MHz的低通濾波器作為被測器件，測量其幅頻特性曲線（信號源峰峰值為2.5 V，掃頻范圍見圖10），在本地用戶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器件（信號源峰峰值為2.5 V，掃頻范圍見圖12），幅度信息和頻率信息經遠程傳輸后，在接收端獲取其幅頻特性，在接收端用戶界面和示波器顯示的波形分別如圖12、圖13所示。

4.2? 系統實測指標及誤差分析

對該系統輸出的信號源實際的幅度指標進行測量，比較信號源在特定頻點上輸出正弦波的峰峰值與要求峰峰值之間的誤差，測量結果如表1、表2和表3所示。結合圖14信號源幅度指標，可以得到信號源在特定頻點上輸出正弦波的峰峰值與要求峰峰值誤差均在3%以內;因此，當系統頻率在25 MHz以內時，能夠穩定輸出峰峰值在100 mV～2.5 V的正弦波，即系統帶寬為25 MHz，輸出正弦波峰峰值范圍為100 mV～2.5 V。

當選擇上限截止頻率為15 MHz的低通濾波器作為被測器件時，得到的幅頻特性曲線（信號源峰峰值為2.5 V，掃頻范圍見圖10）如圖10、圖11所示。當掃頻范圍為1～25 MHz，掃頻間隔為300 KHz，共80個頻點，幅頻特性曲線趨勢符合低通濾波器的特性。由于被測器件的幅度信息經檢波后直接送入示波器顯示，因此無法準確讀出，但從用戶界面上顯示的幅頻特性曲線可知，幅度最大值接近2.5 V，與設定的信號源峰峰值2.5 V基本相同。根據頻點、掃頻間隔和幅頻特性所占格數可以大致估計，當幅度下降到最大值的0.707倍時，其頻率與15 MHz相近。由于選擇的低通濾波器的階數為7階，器件本身的誤差較小，故系統測量出的幅頻特性與理論特性相近，說明該幅頻特性測試系統工作正常。

最終，對幅頻特性遠程傳輸結果進行分析。選擇上限截止頻率為15 MHz的低通濾波器作為被測器件（信號源峰峰值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，經遠程傳輸，接收端示波器顯示的幅頻特性曲線如圖13所示。雖然雙絞線傳輸過程中存在干擾，使得下降沿處發生變形，但低通濾波器幅頻特性在遠程傳輸前后形狀基本相同。

5? ? 結語

頻率特性測試是模擬電路調試中非常重要的手段。一款好的頻率特性測試儀對于高校無線電、物理、通信、信息及電子技術等專業的教學試驗，以及科研院所的科研工作開展來說非常重要。傳統的模擬式幅頻特性測試設備操作不便、性能指標易受溫漂因素影響[11]，且由于價格昂貴，因而在中小規模企業和學校難以普及。本研究采用數字化技術，充分發揮主控制器片上資源的優勢，在解決以上問題的同時，實現了信息的遠程傳輸。針對幅頻特性的測量要求和方法，采用STM32F103為核心控制器，以DDS集成芯片為核心器件，通過增益控制使得系統帶寬擴展到25 MHz。然而，相比如今集成運放芯片的寬頻帶特性而言，該系統帶寬依然過窄。今后可以考慮更換功能更強大的DDS芯片、完善增益控制等措施，來進一步擴展系統帶寬，使得系統擁有更廣泛的應用范圍。

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責任編輯? ? 盛? ? 艷