简易信号发生器及手持信号检测仪

长春理工大学电子信息工程学院 张海鹏 单文童 乔君丰

简易信号发生器及手持信号检测仪

长春理工大学电子信息工程学院 张海鹏 单文童 乔君丰

该手持式信号检测装置的包括自制信号发生器、滤波放大电路、信号检测装置。信号发生器采用的核心器件是DDS系统，其中AD9851模块可以实现正弦信号和方波信号，我们通过STC89C52改变信号控制字实现信号频率和信号幅度的大小调节，来产生被测信号和干扰信号；使用加法电路将干扰信号叠加到被测信号中；信号检测装置核心器件是stm32单片机，通过stm32控制算法和外围电路共同实现A/D转换，信号采集等功能，从受干扰的被测信号中提取出有效电压。由1602液晶显示及按键构成的频率、幅度可调的简易信号发生器，正弦信号调节范围为10Hz～10KHz，方波信号的调节范围为10HZ～10KHz；步进多种可选，有1Hz、10Hz、10KHZ等；正弦信号有效值10mV～1000mV可调。该信号检测装置检测简单，适用于小信号电压有效值检测。

信号发生器；DDS系统；51及stm32单片机控制；信号采集处理

1 系统模块化方案

本系统由信号合成模块、调制模块、信号采集、AD转换及显示模块、电源模块等组成。通过信号源输出噪声信号及待测信号混合，从而采集待测信号。分别论证上述模块的选择与比对。

1.1 信号合成的论证方案

方案一：可以用晶体管、运放IC等通用器件制作，如L8038，具有0.001Hz～300KHz频率的输出范围。但其功能较少，精度不是很高。

方案二：利用单片集成芯片的函数发生器功能，能产生多种波形，频率范围大，便于调试。如MAX038，具有0.1Hz～20MHz频率的输出范围，频率可以达到更高的技术指标，精度好，输出的任意波形幅度为2V（p-p）。

方案三：利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器，能产生任意波形并达到很高的频率，输出频率相对带宽较宽，输出的频率宽带为50%fc，DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，因此频率转换时间短；频率分辨极高，相位变化连续、频率信号很稳定。

综合以上三种方案的优劣，我们选择方案三。

1.2 信号源系统的控制芯片

方案一：采用STC89C52单片机，1）具有8K字节在系统编程的Flash内部程序存储器，32根可编程I/O线；三个16位定时器/计数器。2）51系列编程较为简洁，方便。

方案二：AVR内部嵌高质量的Flash程序存储器，单片机的I/O线带有可设置的上拉电阻、可设定高输入、驱动能力强等特性，使得I/O口资源灵活、功能强大。而且例程资源众多。但价格较贵，程序相对STC89C52系列复杂。

方案三：stm32单片机是一种高性能，处理速度快，最高工作频率可达72MHz；低功耗，3种低功耗模式，分别是休眠、停止、待机模式。拥有3个12位us级的A/D转换器，其中A/D测量范围为0～3.6V双采样和保持力；最多多达13个通信接口、11个定时器，功能十分强大，在市场上，stm32的价格不算太高。

综合以上三种方案，我们选择方案一作为信号合成输入控制端，方案三可用于电压采集和显示模块。

1.3 信号调制模块

信号调制模块分为幅度调节模块、纯电阻分压模块、滤波模块、AD637电压有效值转换模块。

LF353P芯片设计的调幅电路用于提高所得被测信号的幅度，得到符合要求的被测信号；纯电阻分压电路用于直接降低干扰信号的幅度，这种方法简单实用；

用LM358芯片制作的滤波电路用于被测信号和干扰信号合成后，用于滤除掉干扰信号；AD637模块是一个有效值转换器。方便后面电路有效值的采集。

1.4 电压采集和显示模块的论证与选择

方案一：采用89C51单片机；

方案二：arm系统stm32处理，根据设计要求，显示数据刷新时间不超过1秒，并且stm32可以使用简单外设就能实现A/D转换。

综合以上二种方案，选择方案二。

1.5 加法器模块

LM358的应用范围包括传感放大器、直流和其他所有可用于单电源供电的运放使用。包括两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放。它有内部频率补偿、地输入偏流、地输入失调电压和失调电流等特点，适用于电压范围很宽的单电源，同样适用于双电源工作。本设计采用LM358来制作加法器。

1.6 电源模块

（1）信号源电源是由变压器、滤波电路、稳压电路等组成的独立电源。为整个系统提供±5V或者±12V电压，以及2个USB插孔，确保电路的正常稳定工作。三端稳压器件加装散热片。

（2）信号检测装置电源采用18650P电池，后接MC34063A芯片设计的升压电路，为检测装置提供单独的稳定电压。

2 系统理论分析与计算

2.1 DDS信号合成的分析

2.1.1 信号合成原理分析

DDS将数字波形经转换器形成模拟量波形.通过改变寻址的步长来改变输出信号的频率。将相位累加器的相位信息映射为数字幅度字，进而驱动DAC。输出阶梯形波形，经低通(带通)滤波，成为质量符合需要的模拟波形。通过两组DDS输出被测信号与干扰信号，相当于信号源的两条通道。通过叠加，滤波等处理后，输出。

2.1.2 信号合成控制分析

本设计中的信号合成采用DDS技术直接合成，前面提到只需改变M寄存器中的内容就可以得到相应频率信号，直接用STC89C52单片机即可实现。

2.2 参数计算

2.2.1 信号发生器输出频率的计算

设相位累加器的位宽为2N，sin表的大小为2p，累加器的高P位用于寻址sin表，时钟Clock的频率为fc，若以M点为步长，产生的信号频率为：

M称为频率控制字。

2.2.2 相对误差的计算

被测信号幅度均方根值为U0，检测装置测得有效值为U，即可得相对误差为：

3 电路与程序设计

3.1 电路总体设计

3.1.1 系统设计图（见图1）

系统总框图（图1）。

信号合成子系统框图（图2）。

信号合成子系统电路（图3）。

3.1.2 信号调理子系统框图与电路原理图（见图2）

3.2 信号发生器及部分信号检测仪电路（见图3）

程序功能描述：

信号发生器部分：按键输入控制字得到相应信号。

1）键盘实现功能：步进设置频率值、电压值。

2）显示部分：显示电压值、频段、步进值、频率。

信号采集部分：对信号进行A/D转换然后采集到电压有效值。

图1 系统总框图

图2 信号合成子系统框图

4 测试方案与测试结果

4.1 测试方案

（1）硬件测试

1）简易信号发生器通过示波器，毫伏表检查；

2）通过实验室RIGOL信号源模拟被测信号和干扰信号，利用示波器检测加法器、滤波器输出波形。

（2）软件测试

用实验室信号源模拟信号，接入stm32观察LCD显示器是否准确。

（3）硬件软件联调

自制信号发生器输出被测信号和干扰信号，用示波器和毫伏表测量有并记录；然后被测信号接入调幅，干扰信号接入纯电阻分压模块，之后两信号叠加，用示波器测量电压有效值并记录，最后接入手持信号检测装置，观察LCD显示电压数值。

图3 信号合成子系统电路

4.2 测试检查与仪器使用

测试检查：多次核查，仿真电路图和外围电路要与系统原理图一致。各子模块直接连接完好。显示，输入等无损坏。

测试仪器：数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表等。

4.3 测试结果分析

4.3.1 测试数据

被测信号频率1000Hz干扰信号为10mv 100Hz正弦（单位/mv）

理论值 1000 900 795 703 608 500 401 304 270 103 84测量值 1002 896 792 700 606 499 402 306 272 110 91相对误差 0.002 0.004 0.0037 0.004 0.003 0.002 0.003 0.007 0.007 0.068 0.083

4.3.2 测试分析与结论

根据上述的测试数据，粗略计算出相对误差，可以得出以下结论：（1）被测信号幅度调节满足10mv～1000mv；（2）当被测信号幅度小于100mv时，相对误差较大，大于5%，当被测信号幅度大于100mv时，相对误差基本小于1%。

综上所述，本设计基本达到设计要求。