基于STM32单片机的简易网络导纳分析仪系统设计与实现

补星莹，阮炳鑫，邵李焕

（杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州，310018）

0 引言

导纳分析仪可以用于电阻、电容、电感以及组合电路的测量。在实际生活生产设计中，一些器件无法从外形判断阻抗值，这就需要一个导纳测试系统对其导纳值进行测试，分析其在所用频段的导纳特性，便于下一步生产应用。导纳分析仪在电化学、仪器仪表、生物医学和电路传输系统等领域有着广泛的应用[1-3]。导纳分析仪还可用于教育行业，辅助教学实验系统，成为远程操控实验平台的重要系统之一。学生可通过导纳分析仪测量阻抗值，选取电路实验所需的基础元器件，实现远程操作实验[4]。

随着电子信息的不断发展,导纳分析方法已从传统的模拟方法演变到数字信号处理的方法[5]。本文基于FFT算法，设计了STM32单片机的简易网络导纳分析仪系统，实现了被测网络的导纳、阻抗、相位角、幅频特性和相频特性的准确测量。

1 简易网络导纳分析仪系统总体方案设计

简易导纳分析仪系统总体设计如图1所示。将标准阻抗和待测阻抗串联，采用STM32F103ZET6单片机DAC模块作为控制单元产生扫频信号，辅以按键控制实现100Hz-10kHz范围调频的正弦信号，可以100Hz步进实现连续扫频输出和点频测量。正弦激励信号从A点输入，通过高速同步ADC采样A、B两点电压信号[6]，ADC采样频率为信号基波频率的整数倍，满足Nyquist采样定理，避免了频谱泄露。由STM32单片机进行数据处理，利用快速傅里叶变换算法（FFT）获得电压矢量值[7]。最后通过A、B两点电压矢量比例与标准电阻阻值，计算得到待测阻抗Zx。由LCD液晶屏显示导纳、导纳模、导纳角、幅频特性数值和相频特性曲线。

图1 简易导纳分析仪系统设计总体框图

2 系统硬件电路设计

■2.1 测试电路总体设计

测试电路总体设计如图2所示。

图2 测试电路

■2.2 低通滤波电路设计

使用 DAC 产生正弦波时，原理为：按一定时间间隔输出正弦曲线上的点。产生的波形非连续，在示波器上可以看到波形不够光滑。因此在单片机DAC输出端和系统激励信号输入端之间增加滤波电路以获得更加光滑、标准的正弦波。实践后发现，滤波后波形幅值削减严重。所以最后的方案不再使用滤波电路，该过程对测量精度几乎没有影响。

■2.3 跟随器设计

本电路使用了四个跟随器。选用TI公司的OPA2365芯片，该运放为单电源供电且输入/输出满足轨到轨(rail-torail)，具有较大的压摆率，较宽的增益带宽。从左至右，第一个跟随器用来跟随单片机的DAC输出，增强正弦波的驱动能力。中间两个跟随器与标准电阻和测试电阻相连，用来跟随A、B两点的待测电压，可将输入阻抗变高、输出阻抗变低，使得ADC采样与输入激励信号互不影响。最后一个跟随器用来跟随VDD/2的电压，抬升待测电阻后端的电平的同时，隔离了分压电阻对测量精度的影响，使ADC所测正弦信号始终保持在0～3.3V的可测范围内，解决了电路由导纳特性变化产生负电压而造成ADC采样缺失的问题。

■2.4 电源设计

电源设计如图3所示。直接通过AMS1117-3.3降压芯片输出3.3V的直流电压，电路简洁、实用方便。

图3 电源设计

■2.5 控制与显示电路设计

为了增强系统的整体性，在电路设计的时候增加了按键控制接口以及LCD屏幕显示接口，通过3.3V与5V集中供电。核心板与LCD屏幕显示电路如图4所示，独立按键电路如图5所示。

图4 核心板与LCD屏幕显示电路

图5 独立按键电路

3 系统软件设计

软件设计总体流程如图6所示，采用C语言编写，基于STM32F103单片机，用IDE软件keil5进行仿真与调试。总程序由键盘服务模块、ADC模块、DAC模块、FFT运算模块、显示服务模块、ADC采样数据解析模块子程序构成。

图6 软件设计总体流程图

■3.1 DAC输出设计

DAC设计流程图如图7所示，STM32F103单片机带有两路DAC，可配置为8位或12位，并与DMA控制器配合使用。模拟输出电压为0到VREF+（0～3.3V），输出信号频率可由定时器2的TRGO事件触发控制。目标要求：频率范围为100Hz～10kHz，最小步进100Hz，可连续扫频输出。设置输出正弦信号频率为f0，一个周期64个取值点，则DAC触发频率为f0*64。

图7 DAC设计流程图

■3.2 ADC采样与FFT算法设计

ADC采样设计如图8所示，STM32F103单片机带有三路ADC，具有12位分辨率，可与DMA控制器配合使用。ADC的模拟输入电压为VREF-～VREF+（0～3.3V），设计输出信号频率由定时器的TRGO事件控制。双DAC处于同步规则模式，同步触发ADC1和ADC2进行采样，获得采样标准电阻和待测阻抗器件的电压，以实现采样到的两电压值无采样相位偏移[8]。且采用此方法可以实现基波频率和采样频率的关系均可程控的优点，可任意控制FFT基频点的位置，方便调整采样关系。设置ADC采样频率fs为基波频率f0的16倍。将ADC采样的两路数据分别保存在数组内，做256点FFT后，得到频域的电压矢量。基频信号所对应的序列点N、采样频率fs和基波频率f0的对应关系为：

图8 ADC采样设计流程图

N为快速傅里叶变换后的序列点，范围为0～256。通过固定fs=16*f0的倍数关系，确定取FFT序列点N=16为基波频率点，该点的实部和虚部数据即为待测点的电压数据。

■3.3 导纳计算方法设计

激励信号由A点输入，ADC采样A、B两点的波形，经过FFT运算后，取N=16，得到待测电压分别为

求导纳可先求阻抗，再进行转换。待测阻抗和标准阻抗的对应关系为：

引入所测A、B点电压的实部和虚部：

故导纳为：

即系统所需参数的计算公式为：

■3.4 人机交互模块设计

选用4.3寸LCDTFT液晶屏显示测试数据、采样波形。通过按键控制系统进行频率调节和显示界面切换。实时显示采样波形有利于直观地观察A、B 两端口的波形状态，预估与验证结果的正确性。按键判断流程图如图9所示；LCD显示流程图如图10所示。

图9 按键判断流程图

图10 LCD显示流程图

4 测试方法与结论

■4.1 测试方法

测试仪器如表1所示。使用MCO5102数字示波器观察并测量。首先测试单片机DAC输出口产生的正弦波是否符合要求，经过第一个跟随器后电压幅度、相位是否正确。满足以上要求后，检测标准电阻前级电压通过跟随器后是否正常，观察接入待测导纳网络时标准电阻后级电压经过跟随器的输出波形。然后在示波器上观察前、后波形幅度和相位的变化，通过计算验证波形是否符合理论。确保ADC测得的数据无误后，在STM32单片机中进行处理。最后通过电桥测得高精度的待测元件导纳数值，与本系统设计的导纳仪所测数据进行比较，得到最终结果。

表1 测试仪器

■4.2 测试结果与结论

导纳测试仪所测数据结果如表2所示。利用单片机DAC外设作用信号源，可产生频率为100～10kHz的正弦信号，输出的信号电压峰—峰值为1V，误差的绝对值小于10mV；所测电导、电纳、导纳模误差的绝对值小于理论值的5%；所测导纳角的误差绝对值小于理论值的3%。

表2 导纳测试仪所测数据

5 结语

系统实物图如图11所示。本系统基于STM32单片机以及简易的外部电路，实现了导纳分析功能。所测数据既可用数字方法读取，也可用图形方式显示。本系统采用单片DAC外设代替DDS芯片以产生近乎连续的频率点扫描信号。利用STM32单片机的双ADC同步采样以及DSP为核心的实时算法，获得待测导纳的实部和虚部数值。在数据处理方面，采用排序取平均等方法稳定数值，做浮点类型数据的FFT运算是我们获得优良指标的关键。系统最后采用4.3寸LCDTFT液晶屏显示导纳、导纳模、导纳角、幅频特性和相频特性曲线。

图11 系统实物图

本系统简化了电路设计，提高了系统的抗干扰能力和测量精度，价格低廉，便携性更好，对生产的可指导性强。本系统还具有特有的数据图形化显示和人机交互界面，使得测量自动化程度高。该导纳分析仪可以成为分析元件和材料的得力工具，使得导纳分析仪的整机性能和性价比都较传统仪器有很大的提高。此系统也可以与物联网平台结合，应用于远程操控实验平台，辅助实验基础元器件的选型。

本系统的不足之处在于：在FFT运算方面，我们实际上只需要其中特定点的数据，但却对256个点进行了FFT运算，导致程序的运行效率不高。希望在未来可以进一步优化算法，简化运算量的同时扩大FFT运算点数，实现更高效、更精确的测量。