基于STM32的低频数字频率特性测试仪的设计*

陈聪聪 席泽敏 张文成 闫晓萍

(1.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)(2.海军青岛雷达声呐厂 青岛 266100)

基于STM32的低频数字频率特性测试仪的设计*

陈聪聪1,2席泽敏1张文成2闫晓萍2

(1.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)(2.海军青岛雷达声呐厂 青岛 266100)

介绍一种基于STM32的低频数字频率特性测试仪的设计原理和实现方法,并给出了校准方法与测试方法。该数字频率特性测试仪以STM32为微处理器,采用AD9854产生DDS信号源信号,并配置其内部的12位数字乘法器实现更为精确的0.1dB步进的衰减网络,使用电流反馈型运算放大器AD8009作为信号调理及放大电路,利用AD8302实现幅度相位检测。实际测试表明,该测试仪具有成本低、误差小、维护方便等特点,可满足工程和教学中的频率特性测试需要,具有广泛的应用前景。

STM32；数字频率特性测试仪； AD8302；幅频特性

(1. Department of Electronics Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)(2. Naval Factory of Radar and Sonar, Qingdao 266100)

Class Number TH741

1 引言

频率特性测试仪也称为扫频仪,是一种专门用于测量电子设备或产品中特定电路频率特性的仪器。不但可以实现滤波器以及宽带放大器等无源或有源网络的指标——谐振频率、带宽、衰减以及增益等的测量,还可以用来测量雷达接收机的中频放大器和高频放大器以及电视机的伴音通道、视频通道和公共通道[1]。针对国内外市场上的扫频仪以高频为主,而且价格比较昂贵、操作复杂等问题,设计了一款基于STM32的低频数字频率特性测试仪,采用AD9854产生DDS信号源信号,并配置其内部的12位数字乘法器实现更为精确的0.1dB步进的衰减网络,使用电流反馈型运算放大器AD8009作为信号调理及放大电路,利用AD8302实现幅度相位检测,在提高了资源利用率的基础上又大大简化了电路结构[2]。

2 系统总体方案

2.1 扫频仪的主要技术指标

频率范围:20Hz～20MHz;频率精度:≤±5×10-6;最大频率分辨率:1 Hz;扫频输出:0dB时有效值为2.121Vrms;扫频平坦度:±0.5dB(校准后);输出阻抗:50Ω;输入阻抗:50Ω/1M可选;输出衰减:0dB ～-92dB,0.1dB步进;输入增益:+10dB～-30dB,10dB步进;相位范围:±180°;相位分辨率:1°;扫描时间:自动,手动(100ms～10s)。

2.2 系统总体框图

数字扫频仪系统主要由主控制系统、电源部分、正弦扫频信号源部分、幅度与相位检测部分以及人机交互的键盘输入部分和LCD液晶显示部分等五部分构成。本系统的总体结构如图1所示。

图1 低频扫频仪的总体框图

其中,信号源是产生频率和幅度可以调节的正弦信号,输出信号源信号通过控制器控制的程控衰减网络进行衰减,并输入到外部被测网络,信号源提供的信号经被测网络后幅度和相位会发生变化,主要是要测试被测网络的幅频特性和相频特性,对输入和输出信号进行对比。最后得到的幅频特性和相频特性信息再通过模数转换电路将电压信号转换成数字信号送到主控制器处理,处理后的数据以“dB”和“°”为单位的频率特性数据,并以频率特性曲线形式显示在液晶屏上。

3 系统硬件电路设计

3.1 正弦扫频信号源DDS设计

用于检测外部系统网络使用的正弦扫频信号源是整个扫频仪的关键部分。针对中低频测量应用场合,本系统采用的是频率合成技术(DDS)产生扫频信号,此技术具备易于实现程序控制、降低设计难度和提高系统可靠性的优点。同时,通过选取合适的DDS芯片,可以方便地产生步进频率小且相位连续的正弦信号[3]。

DDS芯片AD9854的输出频率由48位频率控制字1及相位累加器产生,其频率控制寄存器中的值与输出频率的对应关系为

式中,N为相位累加器的位数(AD9854中的相位累加器的位数为48位)。Desired Output Frequency为用户想要得到的DDS输出信号的频率,其单位为Hz[4]。FTW为频率控制字中的值,为10进制的数值。SYSCLK为DDS芯片工作的频率,单位为Hz。本频率特性测试仪中,AD9854的工作频率为200MHz。因此,AD9854工作在SingleTone模式时,其输出信号频率的计算公式为

式中,FTW1为频率控制字1中的十进制数值。

3.2 信号放大与调理电路

前端DDS信号源电路输出信号的正弦信号具有如下特点：是一对差分的、电流恒定为10mA不变的,而且信号的极性为正[5]。这里需要进行阻抗匹配,将电流信号转换为电压信号。就在信号源的输出端,分别接上50Ω的电阻。由于此时的输出信号中含有直流信号,并需要对交流信号放大,信号接入由AD8009构成的减法电路,消去直流信号,并放大有用信号,电路如图2所示。此外,电流反馈型运算放大器的输出端会存在较大的失调电压,设计中将信号此信号经过调理电路,并放大幅度为1V左右的交流信号。

图2 信号调理电路

由于电流型运算放大器的闭环增益只由它内部的主导极点电容CP和外部反馈电阻R2所决定,则电流反馈型运算放大器的闭环带宽与其闭环增益无关。因此如图2所示,通过调节CW1的值来调整输出信号的幅度,不影响AD8009的闭环增益带宽。调节CW2,可使VOUT2为一无直流分量的正弦信号[6]。

图3 4dB步进衰减电路的组成

3.3 信号衰减与增益模块设计

衰减电路常用于电子仪器设备中,本设计中的衰减电路包括输出衰减电路和输入衰减电路[7]。由于被测网络的增益不知道,为了防止增益过大,输入信号不能太多,所以需要对信号源输出的正弦信号进行衰减,主要是通过输入衰减电路对被测信号进行衰减。

1) 4dB输出衰减电路

在本设计中4dB步进衰减电路采用的是阻抗匹配衰减电路,如图3所示,主要是由继电器构成的开关电路,以及衰减量为-4dB、-8dB、-16dB和-32dB的Π型电阻网络组成。

扫频仪的测量精度与电阻网络的衰减精度有很大关系,而电阻本身存在小的误差,因此需对衰减网络进行蒙特卡洛仿真以及最坏情况仿真,看其精度是否能够满足系统设计的需求[8]。

图4 4dB衰减网络蒙特卡洛仿真图

在本设计中对每一级衰减器进行上述仿真以及误差分析,通过计算可得每一级衰减器的误差范围。仿真结果显示,单级衰减网络的衰减范围均在±0.2dB以下,而当信号经过所有衰减网络,即衰减值在-92dB时,其误差范围为-0.40dB～ +0.49dB之间,完全能够满足设计指标的要求。

2) 0.1dB输出衰减电路

在设计指标中要求输出信号按照0.1dB进行步进可调,所以1dB～4dB衰减电路采用阻抗匹配衰减电路。这就对电阻衰减网络的要求很高,特别是电阻的阻值和精度,因此1dB～4dB衰减电路此时不适合采用阻抗匹配衰减电路。本扫频仪是充分利用了DDS芯片AD9854的内部资源,使用AD9854的输出波形键控(OSK)功能,采用其内部的12位数字乘法器对输出信号的幅度进行调节[9]。从而实现0.1dB步进可调。本设计中对AD9854内部控制寄存器0x20中的OSKEN(bit5)进行设置来选择12位数字乘法器。12位数字乘法器的设置与ADC转换相似,正好对应着4095。进行不同的二进制编码规则,就可以得到需要的0.1dB步进可调的幅度值。

3) +10dB输入衰减和放大电路

输入衰减电路同样采用继电器和Π型电阻网络。使用电阻阻值与衰减量的对应关系如表1所示。

表1 实际电路中电阻网络阻值与衰减量的对应关系

+10dB放大电路由AD8009组成的同相放大电路和相应大继电器组成。

图5 +10dB增益放大电路

由精度为1%的电阻和电流反馈型运算放大器放AD8009组成的+10dB增益电路,不仅具有很高的精度,而且具有很好的频率特性。对该放大网络进行误差分析可得,其误差范围为+0.03dB～+0.28dB[10]。该+10dB放大网络在20Hz～20MHz范围内,信号的幅度几乎没有变化。而由图5可以看出,+10dB放大电路具有很好的相频特性,误差可以控制在1°以内。

设计中通过采用交流毫伏表对输入衰减和增益放大电路进行测试。测试结果如表2所示。

表2 输入衰减和增益电路测试结果

3.4 幅频与相频检测模块设计

幅度相位测量部分是本扫频仪的核心部分,包括输入衰减增益电路、幅度相位检测电路、信号调理电路以及AD采样电路,其系统硬件设计框图如图6所示。

图6 幅度和相位检测电路

输入衰减增益电路的作用主要是对被测网络输出信号进行衰减或放大,从而增大了测试仪的动态测量范围。其衰减增益范围为-30dB～+10dB,步进为10dB。由于当被测网络增益很大时,输入到测试仪的信号幅度过大会造成测试仪的损坏,这时便需要减小被测网络的输入信号幅度。而信号过小则信躁比减小,从而影响测试结果。因此,加入输入衰减功能可有效增大测试仪的测试范围。

幅度相位检测电路是整个幅度相位检测部分的核心,乃至是整个扫频仪的核心。设计中采用ADI公司的AD8302来实现,该芯片具有幅度和相位同时检测的功能。芯片AD8302内部包含有两个精密匹配的宽带对数放大器、一个宽带相位监测器以及1.8V的精密基准源。AD8302输入范围相对50Ω阻抗匹配的系统为-60dBm～0dBm,可以将两个输入信号的幅值比转换为对应的直流电压,输出电压范围为0V～1.8V,增益的动态范围为-30dB～+30dB,需要注意的是,在两个极点附近直流电压值与输入信号的幅度关系需要进行拟合和修正。同时也可以将两个输入信号的相位差也转换直流电压输出,其输出范围同样是0V～1.8V,测量相位差的范围为0°～180°,在极点位置也是需要拟合和修正。

为使ADC采集到通带稳定的信号,保证增益相位的测量精度,由于AD8302相位检测的输出信号中混有高频噪声,故需采用低通滤波电路对AD8302相位检测输出信号进行滤波。

AD采样电路使用的是STM32中集成的10位ADC,该ADC的最大转换速率为500KSPS,参考电压为3.3V,输入电压范围为0V～3.3V,完全满足系统的要求。并且由于使用处理器内部集成的ADC,提高了CPU的利用率,大大节省了资源。

本系统中使用了2片AD8302来实现频率特性检测功能,因为单片AD8302只可以得到2路信号的相位差的绝对值,而无法得知相位差的符号。两路电路连接基本一致,只是从INPB1输入AD9854经过2级放大和调整之后的Q路信号。

I路和Q路信号相互正交,2路信号相位差为90°,如果I路为余弦函数,那么Q路为正弦函数。通过第1片AD8302可以知道2路信号的相位差的绝对值；再通过第2片AD8302得到相位差的符号。如图所示,当外部信号与Q路信号相位差为0°时,第1片AD8302的VPHS输出电压值为1.8V,而第2片AD8302的VPHS输出电压值为900mV(对应的相位差为-90°)；当外部信号与I路信号相位差为90°时,第1片AD8302的VPHS输出电压值为900mV,而第2片AD8302的VPHS输出电压值为0V。依照以上规律,绘制出两片AD8302的VPHS输出电压值之间的变化规律,这样就实现了使用第2片AD8302实现辅助判断相位差的符号的问题。当第2片AD8302的VPHS输出电压大于900mV,则相位差的符号为负号；而当第2片AD8302的VPHS输出电压小于900mV,则相位差的符号为正号。从图7中可以清晰得出这个结论。

图7 2片AD8302输出电压与信号相位差关系

3.5 STM32 控制设计

STM32F217是一款具有Cortex-M3内核的32位低功耗微处理器。时钟工作频率是120MHz,可以支持片外Flash、SRAM、PSRAM、NOR及NANDFlash等存储容量的扩展。自带4个UART通信接口、3个最高速度可达30Mbit/s的SPI接口、2个CAN接口,以及支持USB2.0的OTG接口,同时,STM32F217内部集成3个12位的模数转换器ADC,功耗低,便于应用于高速高性能的场合。本设计中以STM32为主要控制器,控制的功能包括按键功能控制、模数转换控制、液晶显示器控制以及数据处理和修正控制等部分。

3.6 LCD液晶显示及按键设计

LCD采用群创7寸液晶屏AT070TN90,该产品非常适合需要高分辨率的应用场合,在本设计中负责显示频率特性曲线、工作菜单及系统扫频参数。系统使用键盘芯片CH450组成键盘单元。CH450使用标准IIC接口,只需要3根线就可以实现和CPU的通信。当有效的按键动作产生之后,CH450会判断出哪个键按下,然后将该键值存储到内部寄存器中,同时INT引脚输出低电平,以此通知CPU有按键动作,随后CPU启动IIC总线,将按键的数值读出来。

4 系统软件设计

4.1 STM32主控制流程

微处理器上电后首先初始化,然后等待用户输入按键。当有按键被按下时,控制器会对按键操作做出反应。设计中采用的主要思路是: 1) 对于状态转移采用有限状态机的方式进行响应。 2) 采用全局变量来设置按键操作。系统状态如图8所示。

图8 系统状态转换图

4.2 DDS信号源控制流程

系统使用并行方式来控制AD9854工作,将相关的配置写入到AD9854的内部寄存器中。主要是AD9854点频和线性扫频操作。AD9854电频操作步骤是: 1)AD9854复位。 2) 设定AD9854的工作模式为Singletone,I/OUDCLK为外部输入。 3) 设定系统时钟。 4) 写入频率数据到FTW1。 5) 利用I/OUDCLK让写入数据生效。AD9854线性扫频操作步骤: 1) 设置AD9854工作模式为Chrip,设置CLRACC1,设置I/OUDCLK为外部输入。 2) 设置系统时钟。 3) 设定扫频信号的起始频率点F1。 4) 设定扫频信号的步进频率DFW。 5) 设定扫频信号在每个中间频率点停留的时间长度RAMPRATE。 6) 利用I/OUDCLK让写入数据生效。

图9 DDS信号源控制流程

5 系统校准与测试

完整的频率特性测试仪包括主板、LCD显示屏以及键盘。系统的整体实物俯视如图10所示。

图10 系统实物图

5.1 系统校准

由于系统的输入输出部分本身的频率特性会影响测得的测试网络的频率特性,因此在接入测试网络进行测试之前,需对系统进行校准。在本测试仪中采用了归一化技术对系统的输入与输出部分进行校准。先不接入被测网络,而是将系统的输出端与输入端相接,这样便可测出系统本身的传输特性(传输频响以及反射频响等特性),通过计算得到相应的校准系数。输入到被测网络,测得一组频率特性的数据,经过运算之后,减去校准时测得的标量校准系数,然后重新进行适当地定标,这时所得的结果就是被测网络的真正的频率特性。

5.2 系统测试

测试网络采用一阶无源RC低通滤波网络,其电路图如图所示。测试过程中,取R=2KΩ,C=33pF,则计算可得fc=2.413MHz。

图11 RC低通滤波网络

在系统测试中,测试图形如图12所示。

图12 (a)被测网络幅频特性

图12 (b)被测网络相频特性

被测网络幅频特性曲线与相频特性曲线分别与仿真一致,频率特性测试仪显示截止频率为2.50418MHz,此点处相移为-45.12°,基本上证明了系统的正确性。

6 结语

设计中采用AD9854产生DDS信号源信号,并配置其内部的12位数字乘法器实现更为精确的0.1dB步进的衰减网络,使用电流反馈型运算放大器AD8009作为信号调理及放大电路,利用AD8302实现幅度相位检测。实际测试表明,该扫频仪具有成本低,误差小,维护方便等特点,可满足工程和教学中的频率特性测试需要,具有广泛的应用前景。

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Design of Digital Frequency Characteristics Tester Based on STM32

CHEN Congcong1,2XI Zemin1ZHANG Wencheng2YAN Xiaoping2

The paper describes the principle and implementation method of low-frequency digital frequency characteristics tester is based on STM32, and gives the calibration methods and testing methods. The digital frequency characteristics tester takes STM32 as microprocessor, DDS signal source signal is produced by the AD9854, and configure itsinternal 12-bit digital multiplier to achieve more precise 0.1dB stepping attenuation network.Itusesa current feedback opamps AD8009 as a signal conditioning and amplification circuit to realize the magnitude of the phase detectorby AD8302. Practical tests show that the tester has low cost, small error, easy maintenance, engineering and teaching to meet the needs of frequency characteristic testing. It has broad application prospects.

STM32, digital frequency characteristics tester, AD8302, amplitude-frequency characteristics

2016年6月11日,

2016年7月29日

陈聪聪,女,硕士研究生,助理工程师,研究方向:嵌入式开发技术。

TH741

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.033