基于STM32和FPGA的远程宽带幅频特性测试系统

谢桂辉 郑旭初 赵天明 刘子绪 赵娟

摘  要： 介绍一种基于STM32与FPGA双控制核心的远程宽带大动态范围的幅频特性测试装置。该装置采用直接数字频率合成芯片AD9959产生频率和幅度均可控的正弦信号，并将其发送至待测网络。接收端对待测网络的输出信号进行可变增益放大和欠采样数字峰值检测后，将幅频信息通过WiFi模块无线传输至上位机进行幅频特性曲线的显示。该装置具有500 kHz～100 MHz的宽带扫頻范围，52 dB的大动态范围，灵敏度可达100 μV，支持多节点测试。由于采用了欠采样技术，该系统不需要高速ADC即可完成宽带信号采样，具有成本低、易维护等特点，可满足分布式测量、野外作业等特殊场景下的幅频特性测试需要，具有广阔的应用前景。

关键词： 远程幅频特性测试; 宽带扫频; 动态范围; 欠采样; STM32; FPGA

中图分类号： TN06?34                           文献标识码： A                          文章编号： 1004?373X（2019）09?0132?05

A long?range wide?band amplitude?frequency characteristics test system

based on STM32 and FPGA

XIE Guihui1， 2， ZHENG Xuchu3， ZHAO Tianming3， LIU Zixu3， ZHAO Juan1， 2

（1. School of Automation， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China;

2. Hubei Key Laboratory of Advanced Control and Intelligent Automation for Complex Systems， Wuhan 430074， China;

3. School of Mechanical Engineering and Electronic Information， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China）

Abstract： A long?range amplitude?frequency characteristics test device based on STM32 and FPGA is introduced in this paper. The device generates a sinusoidal signal with controllable frequency and amplitude by means of direct digital frequency synthesis chip AD9959， and then sends the signal to the network under test. The variable gain amplification and undersampling digital peak detection are carried out for the output signal of the network under test in the receiving end， and then the amplitude?frequency messages are sent to the host computer through the WiFi module for display of amplitude?frequency characteristics curve. The device has the wide?band sweep frequency range of 500 kHz～100 MHz， amplitude dynamic range of 52 dB， voltage sensitivity highest to 100 μV， and supports multi?node test. The proposed system using undersampling technology can complete the wide?band signal sampling without high?speed ADC， has the characteristics of low cost and easy maintenance， can meet the demand of amplitude?frequency characteristics testing in some unique scenes such as distributed measurement or field operation， and has broad application prospect.

Keywords： long?range amplitude?frequency characteristics test; wide?band sweep frequency; dynamic range; undersampling; STM32; FPGA

0  引  言

幅频特性测试装置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，常用于滤波器网络、放大器网络等电路的测量与验证。其降低了测量操作的复杂度，实现了快速、方便、准确、直观的测量过程。

目前国内外市场上的扫频仪大多价格高昂、操作繁琐、体积较大且不具有无线传输能力，具有不便携带、难以应用于野外环境的问题。

针对上述问题，本文设计并实现了一款低成本、可测试频率覆盖500 kHz～100 MHz、可测试幅度最低达100 μV的便携式远程幅频特性测试装置，适用于野外环境等场景测试。

1  系统方案论证

本仪器以STM32为控制核心、FPGA作为数据采集核心、ESP8266为WiFi传输核心，主要由信号源模块、自动增益控制模块、幅度检测模块和WiFi模块组成。采用DDS芯片AD9959产生正弦扫频电流信号经[I/V]转换电路处理后输出，作为被测网络的激励信号。设计可变增益放大电路对被测网络输出信号进行自适应放大，调整为合适的幅度供ADC采样，由高速ADC采集后输入至FPGA测幅，将测得的幅度信息与源信号的频率信息送入STM32分析，结果通过WiFi上传至上位机，生成待测网络的幅频特性曲线，实现远程测量待测网络幅频特性的功能。单节点系统框图和多节点网络框图如图1，图2所示。

图1  单节点系统框图

图2  多节点网络框图

2  系统功能硬件电路设计

2.1  信号源模块

信号源模块负责产生测试所需源信号。该模块由集成DDS芯片AD9958和[I/V]转换电路构成。模块由单独的STM32单片机进行控制，与幅频特性测试模块分离，模块具有生成500 kHz～100 MHz的超宽带扫频信号的能力。

AD9958输出信号的峰峰值受10位幅度控制字控制，AD9958的输出信号峰峰值范围为0～500 mV：

[Vout=RDW210×500  mV] （1）

式中：[Vout]为输出信號幅度;RDW为频率控制字。由式（1）知，其幅度精度为0.5 mV。

AD9958的输出为电流量，通过外部[I/V]转换电路进行电流/电压转换，输出电压信号。

2.2  增益控制模块

增益控制模块负责对待测网络响应信号进行处理以便于ADC采样。该模块由前级固定增益电路、中间级压控增益电路和末级固定增益电路构成。

前级固定增益电路采用高速电流反馈运算放大器AD8009。该芯片的小信号带宽达350 MHz，在130 MHz以下具有0.1 dB的增益平坦度。设计本级固定增益为12 dB，输入信号频率最大值为100 MHz。

中间级压控增益电路采用两级压控放大器VCA821。该芯片的增益可根据控制电压[VG]调节带宽达320 MHz，在135 MHz以下具有0.1 dB的增益平坦度，单片增益可调范围大于40 dB。为避免放大倍数过大引起芯片自激振荡，设计本级的增益范围为0～52 dB，输入信号频率最大值为100 MHz，增益可根据控制电压连续调节。

末级固定增益电路采用AD8009。本级主要考虑芯片压摆率是否达标，芯片压摆率达5 500 [Vμs]，允许的最高输出信号峰峰值为17.5 V。

设计本级固定增益为12 dB，输出信号的最大幅度峰峰值为4 V，最高频率为100 MHz。AD8009符合设计要求。

本模块设计四级增益范围共24～76 dB，级间阻抗匹配衰减24 dB，最终增益范围为0～52 dB，电路图如图3～图5所示。

图3  前级固定增益电路图

图4  末级固定增益电路图

2.3  幅度测试模块

幅度测试模块负责采集经增益控制模块处理后的信号幅度。该模块由独立于信号源模块的STM32单片机控制，采用FPGA控制A/D转换芯片ADS805测幅，ADS805具有12位有效位，即幅度采样精度可达[5  V212≈1.22] mV，能够较准确地检测幅值信息。电路图如图6所示。

图6  幅度检测电路

FPGA采样完成后进行峰值检波，并将幅度信息发送到STM32，由STM32进行数据封装和打包，最后上传到WiFi模块完成数据传输。

2.4  WiFi模块

该模块采用ESP8266无线模块制作。ESP8266系列芯片集成度高、功耗低、成本低、体积小，非常适用于便携式设备中无线控制领域的应用。该模块内部具有32位MCU处理功能，可独立于单片机之外工作。ESP8266模块带有断电寄存器E2ROOM，能够在突然掉电的情况下实时保留断电前的状态，再次上电时，数值不变。ESP8266收发数据稳定，传输波特率可达115 200 b/s。ESP8266的供电电压为3.3 V，可利用单片机的3.3 V引脚进行供电，电压稳定。

ESP8266支持AT指令方式进行配置，选择UDP透传的配置方式。在该种方式下，ESP8266模块Rx引脚接收到的输出将会转发至UDP透传绑定的IP端口，配置ESP8266在上电后立刻连接路由器并绑定上位机的IP端口，上位机端使用UDP调试助手接收数据，当发现与预设条件匹配的数据包，则绘制幅频特性曲线。

3  系统软件设计

系统的软件部分包括主控程序、欠采样测幅程序、ESP8266配置程序。其中，主控程序在STM32中执行，负责完成压控增益运放的控制电压调节、集成DDS芯片的配置、幅度测量数据的处理等。欠采样测幅程序在FPGA中完成，主要实现宽带信号的精确测幅。上位机程序负责处理WiFi模块上传的数据，程序运行流畅，界面友好。各程序遵循结构化、层次化设计，使系统软件得以有条不紊地运行。

3.1  主控程序

主控程序分为两个单元：主控单元一负責配置信号源模块和调节增益控制电压;主控单元二负责对采集的数据处理。

主控单元一作为主动发送方，上电后首先初始化，然后进入等待遥控指令状态。收到遥控指令时，控制器对相应情况作出反应，主要包括信号源模块控制和增益模块控制电压调节。设计采用的主要思路是：主函数执行遥控按键检测命令，并根据不同的按键命令调用不同的函数作出相应处理，最后返回主函数继续等待命令。程序流程图如图7所示。

主控单元二作为数据被动接收方，其主要功能是处理采集到的幅度数据和配置WiFi模块。上电后首先初始化并配置WiFi模块，然后串口接收并处理FPGA发送的幅度信息，识别对应频率，最后将数据发送至WiFi模块。程序流程图如图8所示。

图7  STM32主控单元一程序流程图

图8  STM32主控单元二程序流程图

3.2  欠采样程序

系统采用欠采样测量信号幅度。欠采样可实现以低采样率检测高频率信号的工作，故其能够明显降低对A/D转换芯片采样率的要求。为提高欠采样测幅的精确度，解决仅采用单频欠采样面临的难以测量采样频率整数倍信号的难题，本系统使用多个不成倍数关系的采样频率进行欠采样。当待测频率不为多个采样频率的公倍数时可以正确检测，通过合理设计多个采样频率值，可以近似地看作对于全频段具有采样能力。欠采样程序流程图如图9所示。

3.3  ESP8266配置程序

ESP8266支持三种模式，分别是softAP模式、station模式、softAP+station模式。本系统将ESP8266配置为station模式，作为节点与路由器进行通信。

图9  欠采样程序流程图

程序首先对STM32串口进行初始化，之后STM32通过串口通信完成对ESP8266模块的初始化配置，使ESP8266工作在station模式，并绑定WiFi连接。对ESP8266配置的初始化过程多使用AT命令，常用的AT命令有：AT+CWIAP列出当前可加入网络、AT+CWJAP加入AP、AT+CWDHCP设置DHCP开关、AT+CWAVTOCONN在station模式下设置开机自动连接WiFi等。ESP8266与上位机的数据传输模式配置为UDP透传，UDP称为用户数据报协议，不需要数据接收方的回应，也不进行数据保留，即两个端口之间不建立连接，相较于TCP/IP协议，UDP协议的实时性更高、速度更快、更为简单经济，使其更适用于对实时传输有较高要求的幅频特性测试。

4  测试数据及分析

4.1  信号源模块输出测试

测试条件：负载600 Ω。

测试方法：在输出峰峰值范围内选择5 mV/10 mV/20 mV/50 mV/100 mV作为典型值进行测试。记录其在不同频率条件下的实际输出峰峰值，观察信号源的实际输出峰峰值、频率范围，如表1所示。

表1  信号源模块输出测试表

结果分析：信号源模块满足输出信号峰峰值范围5 mV～100 mV、频率范围500 kHz～100 MHz的要求，频率支持100 kHz、1 MHz两档步进，频带内起伏较小。

4.2  增益控制模块输出测试

测试条件：使用自制信号源测试。

测试方法：设定固定的增益控制电压，改变信号源的输出峰峰值和频率，记录放大网络的实际输出峰峰值，如表2所示。

表2  增益控制模块输出测试表

结果分析：放大网络模块通频带较预期值误差小于9‰，增益可调范围满足0～52 dB连续可调，输出波形未发生明显失真。

4.3  系统总体测试

测试条件：使用自制信号源模块、无源低通网络、WiFi模块进行测试。

测试方法：启动信号源模块的扫频功能，将接收到的数据通过WiFi模块上传至上位机，由UDP调试助手显示幅频特性曲线。

测试结果：能够在上位机上显示被测网络的幅频特性曲线。

结果分析：幅频特性曲线趋势正确，曲线较为平滑。如图10所示。

图10  上位机程序结果图

5  結  语

本系统设计并实现了一个宽带远程幅频特性测试仪，该测试仪具有500 kHz～100 MHz的带宽、52 dB的动态范围，最低输入信号幅度峰峰值低至100 μV。可远程测试，支持多节点组网，同时本文利用双频峰值采样，实现了对高频宽带信号的低成本精确采样，大大降低了硬件成本。系统采用模块化设计思路，可扩展性强，具有很好的应用价值。

参考文献

[1] 徐文.基于WiFi与Android的智能家居监控系统设计[D].成都：西南交通大学，2017.

XU Wen. Design of intelligent home monitoring system based on WiFi and Android [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2017.

[2] 陈祥.基于WiFi与移动智能终端的室内定位技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2017.

CHEN Xiang. Research on indoor positioning technology based on WiFi and mobile intelligent terminal [D]. Harbin： Harbin University of Science and Technology， 2017.

[3] 甘国妹，梁荣才.增益可控射频放大器设计方案的分析[J].玉林师范学院学报，2016（5）：37?41.

GAN Guomei， LIANG Rongcai. Analysis of gain controllable RF amplifier design scheme [J]. Journal of Yulin Normal University， 2016（5）： 37?41.

[4]  陈聪聪，席泽敏，张文成，等.基于STM32的低频数字频率特性测试仪的设计[J].舰船电子工程，2016（12）：145?150.

CHEN Congcong， XI Zemin， ZHANG Wencheng， et al. Design of digital frequency characteristics tester based on STM32 [J]. Ship electronic engineering， 2016（12）： 145?150.

[5] 国成哲，王中训，王文奇，等.频率特性测试仪的设计[J].电子设计工程，2017（11）：102?106.

GUO Chengzhe， WANG Zhongxun， WANG Wenqi， et al. Design of the frequency characteristic instrument [J]. Electronic design engineering， 2017（11）： 102?106.

[6] 李晓阳.WiFi技术及其应用与发展[J].信息技术，2012（2）：196? 198.

LI Xiaoyang. WiFi technology and its application and development [J]. Information technology， 2012（2）： 196?198

[7] 曹振民，陈年生，马强，等.基于ESP8266的无线控制电路设计[J].工业控制计算机，2017（1）：68?69.

CAO Zhenmin， CHEN Niansheng， MA Qiang， et al. Design of wireless control circuit based on ESP8266 [J]. Industrial control computer， 2017（1）： 68?69.

[8] 屈良潘，唐曼玲，刘静，等.基于ESP8266的LED灯无线远程控制设计[J].电子世界，2017（9）：179?181.

QU Liangpan， TANG Manling， LIU Jing， et al. Design of wireless remote control based on ESP8266 [J]. Electronics world， 2017（9）： 179?181.

[9] 侯老二，龙欢.基于ESP8266?01的无线温湿度调节系统设计[J].仪器仪表与分析监测，2017（3）：5?10.

HOU Laoer， LONG Huan. Design of the wireless system in temperature and humidity based on ESP8266?01 [J]. Instrumentation analysis monitoring， 2017（3）： 5?10.

[10] 范兴隆.ESP8266在智能家居监控系统中的应用[J].新器件新技术，2016（9）：52?56.

FAN Xinglong. Application of ESP8266 in intelligent home monitoring system [J]. Microcontrollers & embedded systems， 2016（9）： 52?56.