一种基于STM32的便携式远程幅频特性测试仪设计

孙东胜 于婉婷 崔渊 陈祝洋 钱铮

摘    要：针对幅频特性的测量要求和方法，采用STM32F103為核心控制器，以DDS集成芯片为核心器件，并与程控放大器组合，在STM32的控制下，构成幅度可调节、频率可连续变化的信号源，以满足不同被测器件的输入要求。利用AD8361均值响应检波器获取被测器件输出端的幅度信息;采用STM32内部AD实时采集检波器输出的幅度信息;利用示波器的X-Y显示方式，搭配STM32内部自带DA输出的锯齿波，在示波器上显示幅频特性曲线。利用频分复用合并被测器件的幅度信息和频率信息，通过双绞线实现远程传输，在接收端利用滤波器分离两路信号;在接收端的液晶屏上制作了一个UI界面，在UI界面上描绘幅频特性曲线。通过采用数字化技术，充分发挥了主控制器片上资源的优势，实现了信息的远程传输。

关键词：DDS;STM32;均值响应检波;幅频特性;频分复用;UI

中图分类号：TN721              文献标识码：A                  文章编号：2095-7394（2021）02-0025-09

随着电子科学技术的高速发展，集成运放制造工艺日益精进，各种高性能的集成运算放大器层出不穷。集成运算放大器采用直接耦合方式，具有很高的电压放大倍数，通常的硬件电路设计尤其是信号处理电路都离不开运算放大器的选择。由于放大电路中电抗元件的存在，放大电路对不同频率分量的信号其放大能力是不同的，放大电路输出信号的幅度也就成为频率的函数，称之为幅频特性[1]，它是运放的关键指标之一;此外，滤波器、高频调谐器等电路器件的选择均需要考虑其幅频特性是否满足需求。因此，在现代电子测量中，有关幅频特性的测量占有重要地位。本文设计了以STM32为控制核心的远程幅频特性测试仪，可有效满足电子系统参数实时共享的需求[2]，从而能够提高管理效率。

1    系统方案设计

如图1所示，主控制器STM32F103通过送频率控制字给DDS，使其产生正弦信号，再经程控放大器VCA810，构成频率可变、幅度可调节的扫频信号，作为幅频特性测试仪的信号源。

信号源通过被测器件后，在输出端用幅度测量模块AD8361获取幅度信息，并经STM32F103片内AD采集[3]，送本地端用户界面模块显示幅频特性曲线。同时，可将幅度信息直接送至示波器Y端口，在STM32F103片内DA输出锯齿波的配合下，通过示波器显示幅频特性曲线。此外，将被测器件输出的幅度信息和STM32F103给出的频率信息经加法器相加后，实现频分复用，送双绞线进行远程传输。接收端利用低通滤波器获取频率信息，利用高通滤波器获取幅度信息，经AD8361检波后送接收端用户界面显示幅频特性曲线。

2    单元电路分析与设计

2.1  系统电源电路设计

由于本系统各个模块需要不同的直流供电电源，所以单独设计了一个系统供电电源电路。利用USB口的两根电源线，将5 V电源引脚和GND引脚用排针引出，以便于给其他模块供电。如图2为电压转换电路原理。将双口USB线连接通用插头为整个系统供电;同时，根据系统需要，将USB口提供的5 V电压转换成-5 V电压。LTC公司的一款电源管理芯片LTC660可实现负电压转换功能，本次设计即采用同类型芯片。

2.2  DDS信号源电路设计

如图3所示，为DDS信号源电路原理。DDS芯片采用AD9850[4]，使其工作在最高时钟状态，即125 MHz。为了提高数据写入速率，选择8位并行写入方式，其控制字共有40位数据，包括32位频率控制字和8位相位控制字。STM32F103只需按照时序依次将40位数据写入，AD9850即可输出指定频率的正弦波[5]。

2.3  程控放大器电路设计

如图4所示，为放大部分电路原理。程控放大器主芯片采用VCA810，VCA810是德州仪器公司生产的一款放大器，具有宽带、低失调电压和增益可调节等特点[6]。值得一提的是，其增益调节功能非常方便，只需在芯片3脚上提供特定的直流电压即可实现-40～40 dB的线性增益控制，增益控制准确度达到±1 dB。在±5 V电源供电条件下，增益控制电压从0 V变化到-2 V时，增益从-40 dB线性地变化到+40 dB[7]。后级接OPA820运放芯片，起到缓冲作用并提高带负载能力。

由图4可知，信号从SMA接口S1接入，经VCA810放大后，再接入OPA820同相端，以提高信号的带负载能力，最终经S4接口输出。

由于VCA810的增益控制电压从0 V变化到-2 V，因此，DAC输出的电压需经过反相才可接入VCA810的3脚。设计选用运放芯片OP07构成反相器，如图5所示为反相器电路原理。由图5可知，DAC输出的增益控制信号从J12引脚接入，经OP07反相后，接入VCA810的3脚，从而实现程控放大。

2.4  均值响应检波电路设计

均值响应检波电路负责获得被测器件输出信号的幅度。信号有效值的大小可以根据式（1）计算得到：

由于检波器带宽必须大于系统带宽，因此，本系统的均值响应检波芯片选择AD8361[8]，其频响范围为0.1～2.5 GHz，内部包含平方单元、频带宽度基准、差分放大器、缓冲器等。设计时，由于AD8361输出为线性响应直流电压，转换增益为7.5 V/V均方根值，所以可添加一个外部滤波器电容来提升平均时间常数。检波器电路原理如图6所示。

3    软件方案设计

3.1  STM32F103软件系统设计整体架构

在整個系统中，主控制器STM32F103RCT6起着关键作用，它控制DDS产生指定频率的扫频信号、负责采集幅度信息、进行用户界面更新。如图7所示为STM32F103软件系统设计整体架构。软件系统主要分为五个模块：DDS模块、串口通信模块、用户界面模块、ADC模块、DAC模块。

3.2  STM32F103 单片机软件系统设计

如图8所示为STM32F103软件系统主程序设计流程。上电后首先进行串口、用户界面、ADC等外设初始化。然后，依据按键进行功能选择：当设置频率键按下后，输入指定频率，再按确认键便可输出指定频率的正弦波;当步进键按下后，输出正弦波频率以1 MHz步进;当扫频键按下后，正弦波频率逐渐上升，形成扫频信号;当调幅键按下后，可改变输出正弦波的幅度大小;当显示键按下后，用户界面上显示被测器件的幅频特性曲线[9];当Transmit键按下后，进行信息的远程传输。

3.3  接收端软件系统设计

接收端一方面负责接收传输的频率信息;另一方面，负责采集检波后的幅度信息，最终在UI上显示幅频特性曲线。单片机[10]之间通过串口进行通信，并接收频率信息。STM32F103串口1的TXD引脚发出频率信息，经频分复用远程传输后，在接收端分离，然后送入接收端控制器的RXD引脚，两者之间共地。程序流程如图9所示。

首先，进行串口和界面初始化并使能接收中断;然后，循环判断是否接收到频率信息，只要接收到频率信息，就显示在UI上并采集幅度信息，显示幅频特性曲线。

4    实验结果与分析

4.1  测量结果

选择上限截止频率为15 MHz的低通滤波器作为被测器件，测量其幅频特性曲线（信号源峰峰值为2.5 V，扫频范围见图10），在本地用户界面和示波器显示的波形分别如图10、图11所示。

选择上限截止频率为15 MHz的低通滤波器作为被测器件（信号源峰峰值为2.5 V，扫频范围见图12），幅度信息和频率信息经远程传输后，在接收端获取其幅频特性，在接收端用户界面和示波器显示的波形分别如图12、图13所示。

4.2  系统实测指标及误差分析

对该系统输出的信号源实际的幅度指标进行测量，比较信号源在特定频点上输出正弦波的峰峰值与要求峰峰值之间的误差，测量结果如表1、表2和表3所示。结合图14信号源幅度指标，可以得到信号源在特定频点上输出正弦波的峰峰值与要求峰峰值误差均在3%以内;因此，当系统频率在25 MHz以内时，能够稳定输出峰峰值在100 mV～2.5 V的正弦波，即系统带宽为25 MHz，输出正弦波峰峰值范围为100 mV～2.5 V。

当选择上限截止频率为15 MHz的低通滤波器作为被测器件时，得到的幅频特性曲线（信号源峰峰值为2.5 V，扫频范围见图10）如图10、图11所示。当扫频范围为1～25 MHz，扫频间隔为300 KHz，共80个频点，幅频特性曲线趋势符合低通滤波器的特性。由于被测器件的幅度信息经检波后直接送入示波器显示，因此无法准确读出，但从用户界面上显示的幅频特性曲线可知，幅度最大值接近2.5 V，与设定的信号源峰峰值2.5 V基本相同。根据频点、扫频间隔和幅频特性所占格数可以大致估计，当幅度下降到最大值的0.707倍时，其频率与15 MHz相近。由于选择的低通滤波器的阶数为7阶，器件本身的误差较小，故系统测量出的幅频特性与理论特性相近，说明该幅频特性测试系统工作正常。

最终，对幅频特性远程传输结果进行分析。选择上限截止频率为15 MHz的低通滤波器作为被测器件（信号源峰峰值2.5 V，扫频范围1 ～25 MHz，扫频间隔300 KHz），本地示波器显示的幅频特性曲线如图11所示，经远程传输，接收端示波器显示的幅频特性曲线如图13所示。虽然双绞线传输过程中存在干扰，使得下降沿处发生变形，但低通滤波器幅频特性在远程传输前后形状基本相同。

5    结语

频率特性测试是模拟电路调试中非常重要的手段。一款好的频率特性测试仪对于高校无线电、物理、通信、信息及电子技术等专业的教学试验，以及科研院所的科研工作开展来说非常重要。传统的模拟式幅频特性测试设备操作不便、性能指标易受温漂因素影响[11]，且由于价格昂贵，因而在中小规模企业和学校难以普及。本研究采用数字化技术，充分发挥主控制器片上资源的优势，在解决以上问题的同时，实现了信息的远程传输。针对幅频特性的测量要求和方法，采用STM32F103为核心控制器，以DDS集成芯片为核心器件，通过增益控制使得系统带宽扩展到25 MHz。然而，相比如今集成运放芯片的宽频带特性而言，该系统带宽依然过窄。今后可以考虑更换功能更强大的DDS芯片、完善增益控制等措施，来进一步扩展系统带宽，使得系统拥有更广泛的应用范围。

参考文献：

[1] 华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2] 赵博，黄飞，刘宏银，等.放大电路幅频特性测试系统设计[J].实验技术与管理，2015，32（9）：59-63.

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[9] HAN X，PATTERSON P. The effect of information availability in a user interface （UI） on in-vehicle task performance：a pilot study[J]. International Journal of Industrial Ergonomics，2017，61：131-141.

[10] 宋雪松，李冬明，崔长胜.手把手教你学51单片机：C语言版[M].北京：清华大学出版社，2014.

[11] 刘艳云，朱雷.基于MSP430单片机和DDS技术的频率特性测试仪的设计[J].电子器件，2011，34（5）：521-524.

责任编辑    盛    艳