基于STM32的频率特性测试仪的设计

吴涵旭 屈乐乐 韩磊 崔思尧 杨研

摘要：本文提出了一种实用性频率特性测试仪的设计方案。该设计通过分析扫频信号输出性能指标，对相应的信号源和电流型反馈运算放大电路进行结合，使用继电器控制Π型阻抗匹配网络，从而实现了输入和输出衰减网络。为了增加测试功能，采用两片AD8302芯片的方法测量相位差和相位极性。采取STM32处理器作为中央处理器，使整体结构更为简单，解决了国内低频频率特性测试仪功能简单、体积较大、价格昂贵等问题。

关键词：STM32;频率特性测试仪;AD8302

中图分类号：TN828.6 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）11-0120-02

0 引言

频率特性测试仪是专门用于测量电子设备中某些电路频率特性的专用仪器。低频数字频率特性测试仪测试信号范围一般在10MHz以下，在现代电子教学实验和工业测量中应用广泛，例如一些音频设备的生产中，就常常需要用到低频扫描仪来检测其产品的性能。国外用来测试系统频率特性的仪器主要集中在射频，微波以及更高频率，低频范围内的产品比较少，并且价格昂贵，操作复杂。

1 系统总体方案

本仪器主要分为以下五个部分：DDS扫频信号源、幅度相位检测电路、键盘旋钮及LCD、ARM9S3C2440控制及数字处理电路。系统框图如图1所示。

待测信号首先经过DDS扫频信号源，转变成正弦信号输出。一部分信号送到其内部的输出衰减网络中，这部分的作用主要为保护幅度相位检测电路和改变输入信号的幅值达到可被幅度相位检测电路测量;另一部分信号直接传输到幅度相位检测电路中，然后将检测之后的信号一起发送给ARM9S3C2440控制器及数字处理电路中，把模拟信号转变成数字信号，便于最终的处理和分析。最后把处理好的数据通过LCD显示出来。

2 硬件部分

系统采用AD9854作为信号源，因为它具有高速、高性能等优点，可以线性调频，很适合作系统的信号发生器件。DDS的工作模式由处理器控制，在实现扫描功能时，DDS处于扫频模式。为了增大仪器的测量范围并降低失真度，输出信号放大电路选择的是电流反馈型。对于输出信号的衰减量的控制是由输入、输出衰减与增益电路实现的，这部分电路和放大电路一样也并不影响输入信号的相频特性。系统的幅度相位检测电路采用了两片AD8032增益相位检测器。系统采用32个按键来控制和處理输出信号，主要采用中断程序是实现测试的功能。旋钮电路由响应外部中断的方法控制，并通过改变高低电平实现相应的功能。最后系统通过在LCD屏上显示被测输入信号的频率完成全部测试功能。

3 软件部分

系统的软件部分主要由主程序、中断子程序、串行口子程序、A/D转换子程序和LCD数码管显示子程序等组成。系统的主程序首先将LCD、AD9854和片内ADC进行初始化设置，接下来通过按键选择测试模式。A/D转换子程序的作用是对片内的ADC装配，将输入的模拟信号转化为数字信号，以便于对测量信号的采样处理。数码管显示子程序主要把最终的测试结果显示在LCD电子屏上。软件的主程序流程图如图2所示。

4 系统调试

使用的测试仪器有：万用表、示波器、四通道数字示波器、频率特性测试仪SP30120。

4.1 点频测量

主要测1MHz～40MHz的频带内，RLC串联谐振电路每个频点对应的增益和相移值。频带内余弦信号峰峰值误差≤5%，即幅频测量绝对值误差≤0.5dB;相位测量值均在85°以上，相频测量误差绝对值≤5°。

4.2 RLC串联谐振扫频测量

实际的相频和幅频特性类似于带通滤波电路的特性曲线。如图3所示，被测网络的中心频率19.2MHz，误差的绝对值≤5%;带宽4.9MHz，计算得到的有载品质因数Q=3.9，误差的绝对值≤5%，有载最大电压增益为-0.34dB。

4.3 误差分析

首先是正交信号幅值平坦度问题;测试基于正交信号，输出应保证频带内幅值没有明显纹波抖动，若滤波电路通带内出现较大波纹抖动，截止频率没有达到要求，就无法保证通带内幅值平坦，从而产生误差。其次是不等幅测量误差;当两个输入信号幅度不相等时，幅度大的信号可能会覆盖幅度小的信号，造成混频后的信号误差。最后是直流分量误差;在乘法混频电路中，要求信号不能有直流分量，但由于乘法器输出本身就有直流分量，所以会导致最后的测试结果产生相应的误差。

5 结语

本仪器采用STM32单片机作为中央处理器，使用2片AD8302芯片的方法测量相位差和相位极性，依靠零中频正交解调的原理，解决了测试功能单一，整体结构复杂，价格昂贵等问题。本仪器可以测量1-50MHz的模拟信号，可用手动用按键调节测量模式，测试结果可以通过液晶LCD模块清晰的显示出。并且实现了测量过程系统稳定、数字化和功耗相对较低等优点。在各行各业具有广泛的应用空间和良好的市场前景。

参考文献

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