基于STM32單片機的簡易網絡導納分析儀系統設計與實現

補星瑩，阮炳鑫，邵李煥

（杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州，310018）

0 引言

導納分析儀可以用于電阻、電容、電感以及組合電路的測量。在實際生活生產設計中，一些器件無法從外形判斷阻抗值，這就需要一個導納測試系統對其導納值進行測試，分析其在所用頻段的導納特性，便于下一步生產應用。導納分析儀在電化學、儀器儀表、生物醫學和電路傳輸系統等領域有著廣泛的應用[1-3]。導納分析儀還可用于教育行業，輔助教學實驗系統，成為遠程操控實驗平臺的重要系統之一。學生可通過導納分析儀測量阻抗值，選取電路實驗所需的基礎元器件，實現遠程操作實驗[4]。

隨著電子信息的不斷發展,導納分析方法已從傳統的模擬方法演變到數字信號處理的方法[5]。本文基于FFT算法，設計了STM32單片機的簡易網絡導納分析儀系統，實現了被測網絡的導納、阻抗、相位角、幅頻特性和相頻特性的準確測量。

1 簡易網絡導納分析儀系統總體方案設計

簡易導納分析儀系統總體設計如圖1所示。將標準阻抗和待測阻抗串聯，采用STM32F103ZET6單片機DAC模塊作為控制單元產生掃頻信號，輔以按鍵控制實現100Hz-10kHz范圍調頻的正弦信號，可以100Hz步進實現連續掃頻輸出和點頻測量。正弦激勵信號從A點輸入，通過高速同步ADC采樣A、B兩點電壓信號[6]，ADC采樣頻率為信號基波頻率的整數倍，滿足Nyquist采樣定理，避免了頻譜泄露。由STM32單片機進行數據處理，利用快速傅里葉變換算法（FFT）獲得電壓矢量值[7]。最后通過A、B兩點電壓矢量比例與標準電阻阻值，計算得到待測阻抗Zx。由LCD液晶屏顯示導納、導納模、導納角、幅頻特性數值和相頻特性曲線。

圖1 簡易導納分析儀系統設計總體框圖

2 系統硬件電路設計

■2.1 測試電路總體設計

測試電路總體設計如圖2所示。

圖2 測試電路

■2.2 低通濾波電路設計

使用 DAC 產生正弦波時，原理為：按一定時間間隔輸出正弦曲線上的點。產生的波形非連續，在示波器上可以看到波形不夠光滑。因此在單片機DAC輸出端和系統激勵信號輸入端之間增加濾波電路以獲得更加光滑、標準的正弦波。實踐后發現，濾波后波形幅值削減嚴重。所以最后的方案不再使用濾波電路，該過程對測量精度幾乎沒有影響。

■2.3 跟隨器設計

本電路使用了四個跟隨器。選用TI公司的OPA2365芯片，該運放為單電源供電且輸入/輸出滿足軌到軌(rail-torail)，具有較大的壓擺率，較寬的增益帶寬。從左至右，第一個跟隨器用來跟隨單片機的DAC輸出，增強正弦波的驅動能力。中間兩個跟隨器與標準電阻和測試電阻相連，用來跟隨A、B兩點的待測電壓，可將輸入阻抗變高、輸出阻抗變低，使得ADC采樣與輸入激勵信號互不影響。最后一個跟隨器用來跟隨VDD/2的電壓，抬升待測電阻后端的電平的同時，隔離了分壓電阻對測量精度的影響，使ADC所測正弦信號始終保持在0～3.3V的可測范圍內，解決了電路由導納特性變化產生負電壓而造成ADC采樣缺失的問題。

■2.4 電源設計

電源設計如圖3所示。直接通過AMS1117-3.3降壓芯片輸出3.3V的直流電壓，電路簡潔、實用方便。

圖3 電源設計

■2.5 控制與顯示電路設計

為了增強系統的整體性，在電路設計的時候增加了按鍵控制接口以及LCD屏幕顯示接口，通過3.3V與5V集中供電。核心板與LCD屏幕顯示電路如圖4所示，獨立按鍵電路如圖5所示。

圖4 核心板與LCD屏幕顯示電路

圖5 獨立按鍵電路

3 系統軟件設計

軟件設計總體流程如圖6所示，采用C語言編寫，基于STM32F103單片機，用IDE軟件keil5進行仿真與調試。總程序由鍵盤服務模塊、ADC模塊、DAC模塊、FFT運算模塊、顯示服務模塊、ADC采樣數據解析模塊子程序構成。

圖6 軟件設計總體流程圖

■3.1 DAC輸出設計

DAC設計流程圖如圖7所示，STM32F103單片機帶有兩路DAC，可配置為8位或12位，并與DMA控制器配合使用。模擬輸出電壓為0到VREF+（0～3.3V），輸出信號頻率可由定時器2的TRGO事件觸發控制。目標要求：頻率范圍為100Hz～10kHz，最小步進100Hz，可連續掃頻輸出。設置輸出正弦信號頻率為f0，一個周期64個取值點，則DAC觸發頻率為f0*64。

圖7 DAC設計流程圖

■3.2 ADC采樣與FFT算法設計

ADC采樣設計如圖8所示，STM32F103單片機帶有三路ADC，具有12位分辨率，可與DMA控制器配合使用。ADC的模擬輸入電壓為VREF-～VREF+（0～3.3V），設計輸出信號頻率由定時器的TRGO事件控制。雙DAC處于同步規則模式，同步觸發ADC1和ADC2進行采樣，獲得采樣標準電阻和待測阻抗器件的電壓，以實現采樣到的兩電壓值無采樣相位偏移[8]。且采用此方法可以實現基波頻率和采樣頻率的關系均可程控的優點，可任意控制FFT基頻點的位置，方便調整采樣關系。設置ADC采樣頻率fs為基波頻率f0的16倍。將ADC采樣的兩路數據分別保存在數組內，做256點FFT后，得到頻域的電壓矢量。基頻信號所對應的序列點N、采樣頻率fs和基波頻率f0的對應關系為：

圖8 ADC采樣設計流程圖

N為快速傅里葉變換后的序列點，范圍為0～256。通過固定fs=16*f0的倍數關系，確定取FFT序列點N=16為基波頻率點，該點的實部和虛部數據即為待測點的電壓數據。

■3.3 導納計算方法設計

激勵信號由A點輸入，ADC采樣A、B兩點的波形，經過FFT運算后，取N=16，得到待測電壓分別為

求導納可先求阻抗，再進行轉換。待測阻抗和標準阻抗的對應關系為：

引入所測A、B點電壓的實部和虛部：

故導納為：

即系統所需參數的計算公式為：

■3.4 人機交互模塊設計

選用4.3寸LCDTFT液晶屏顯示測試數據、采樣波形。通過按鍵控制系統進行頻率調節和顯示界面切換。實時顯示采樣波形有利于直觀地觀察A、B 兩端口的波形狀態，預估與驗證結果的正確性。按鍵判斷流程圖如圖9所示；LCD顯示流程圖如圖10所示。

圖9 按鍵判斷流程圖

圖10 LCD顯示流程圖

4 測試方法與結論

■4.1 測試方法

測試儀器如表1所示。使用MCO5102數字示波器觀察并測量。首先測試單片機DAC輸出口產生的正弦波是否符合要求，經過第一個跟隨器后電壓幅度、相位是否正確。滿足以上要求后，檢測標準電阻前級電壓通過跟隨器后是否正常，觀察接入待測導納網絡時標準電阻后級電壓經過跟隨器的輸出波形。然后在示波器上觀察前、后波形幅度和相位的變化，通過計算驗證波形是否符合理論。確保ADC測得的數據無誤后，在STM32單片機中進行處理。最后通過電橋測得高精度的待測元件導納數值，與本系統設計的導納儀所測數據進行比較，得到最終結果。

表1 測試儀器

■4.2 測試結果與結論

導納測試儀所測數據結果如表2所示。利用單片機DAC外設作用信號源，可產生頻率為100～10kHz的正弦信號，輸出的信號電壓峰—峰值為1V，誤差的絕對值小于10mV；所測電導、電納、導納模誤差的絕對值小于理論值的5%；所測導納角的誤差絕對值小于理論值的3%。

表2 導納測試儀所測數據

5 結語

系統實物圖如圖11所示。本系統基于STM32單片機以及簡易的外部電路，實現了導納分析功能。所測數據既可用數字方法讀取，也可用圖形方式顯示。本系統采用單片DAC外設代替DDS芯片以產生近乎連續的頻率點掃描信號。利用STM32單片機的雙ADC同步采樣以及DSP為核心的實時算法，獲得待測導納的實部和虛部數值。在數據處理方面，采用排序取平均等方法穩定數值，做浮點類型數據的FFT運算是我們獲得優良指標的關鍵。系統最后采用4.3寸LCDTFT液晶屏顯示導納、導納模、導納角、幅頻特性和相頻特性曲線。

圖11 系統實物圖

本系統簡化了電路設計，提高了系統的抗干擾能力和測量精度，價格低廉，便攜性更好，對生產的可指導性強。本系統還具有特有的數據圖形化顯示和人機交互界面，使得測量自動化程度高。該導納分析儀可以成為分析元件和材料的得力工具，使得導納分析儀的整機性能和性價比都較傳統儀器有很大的提高。此系統也可以與物聯網平臺結合，應用于遠程操控實驗平臺，輔助實驗基礎元器件的選型。

本系統的不足之處在于：在FFT運算方面，我們實際上只需要其中特定點的數據，但卻對256個點進行了FFT運算，導致程序的運行效率不高。希望在未來可以進一步優化算法，簡化運算量的同時擴大FFT運算點數，實現更高效、更精確的測量。