电子测量与仪器实验教学平台的设计与实践

唐 源 罗相诚

（桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004）

0 引言

近几十年以来，计算机技术和微电子技术的快速发展，使电子测量技术发生了质的变化。计算机网络技术与电子测量仪器相互结合，构造了新一代的智能化仪器和自动化测试系统。目前，国外电子测量实验教学平台主要以发展虚拟仪器实验平台为主，它是以现代电子测量技术为基础，充分利用计算机强大的计算能力和LabVIEW模块化编程方式及交互式界面的设计方法，实现了一个功能完善、自动测试、使用方便、高效的虚拟仪器实验平台。国内的电子测量实验教学平台主要以示波器、信号源等通用测试设备为主，设备功能齐全、操作简单，但输入输出接口较单一，不利用组建复杂的综合性测试系统，因此开设的实验项目也以验证性实验为主。随着计算机与通信技术的不断发展，未来的实验教学平台将向可远程控制、虚拟化与智能化发展。

1 系统总体设计

系统总体设计框图如图1所示。系统采用STM32单片机作为主控器，控制DDS芯片产生正弦、三角、方波等波形信号，波形参数可通过按键模块实现相关的配置修改，输出参数则可以通过液晶屏直观显示；利用单片机内部定时器，对被测信号进行脉冲的计数，实现频率的测量；设计信号调理电路，对于直流电压输入信号进行调理，并通过ADC实现信号的采集，经主控器处理后在液晶屏显示，实现直流电压的采集与显示；检波电路主要包括均值检波、有效值检波和峰值检波电路，主要是通过OP07、AD637等器件以及相应的外围电路来实现相应的功能电路；整形电路原理也较为简单，通过比较器电路及相应的滤波，实现对正弦等非方波信号转换为方波信号；移相器电路则实现了对信号波形相位的调理。

图1 系统框图

2 系统硬件设计

以理论教学内容为导向，设计满足实验教学的各功能模块电路，通过各功能模块组建复杂的综合性或设计性实验。平台的功能电路决定了开设实验项目的种类与性质，而功能电路的稳定性则会直接影响实验的正常开展。下面以信号发生器和直流电压表模块为例，对实验平台功能模块的设计进行探讨与研究。

2.1 信号发生器电路设计

直接数字频率合成（DDS）的理论基础是奈奎斯特采样定理和数字频率合成定理。根据采样定理，可以认为采样定理的逆向运用就是直接数字频率合成技术。DDS技术就是利用那些完成了信号的采样和数字量化之后的量化信号，在一些技术手段下，将其恢复到原始的信号。

DDS基本的工作结构框图如图2所示。DDS的结构包括基准时钟源、N位加法器、N位相位寄存器、波形存储器（ROM）、高速数模转换器（DAC）和低通滤波器（LPF）。输出信号波形的产生是相位逐渐累加的结果，这由加法器与相位寄存器共同实现，各个波形的抽样值(二进制编码)存储波形存储器，波形存储器的取样地址是由N位加法器和N位相位寄存器在共同作用下输出的，K值决定着从波形存储器中读取数据的频率，K值越大，那么相位的步进就越快，输出信号波形的频率就越高，将这些抽样值取出通过高速数模转换器（DAC），就能实现数字量的波形抽样值到模拟量波形信号的输出。低通滤波器（LPF）主要的作用是滤除输出信号中不必要的抽样分量。因为DDS集成电路内部主要采用了集成数字器件，它不容易受到外部干扰，只要输入基准时钟稳定，其输出的信号频率就稳定。同时，它能输出的频率很高且易于控制。

图2 DDS基本的工作结构框图

2.2 直流电压表电路设计

直流电压表用于测量电压的ADC芯片不采用独立的ADC芯片，而是采用单片机内部集成的12位ADC，所以该直流电压表外部电路较简单。将STM32单片机的PA1口配置为单片机内部ADC1的通道1，可实现对0～3.3V的直流电压测量。为了不让被测直流电压信号输入过大的电流烧坏单片机，所以在单片机的I/O口前连接了一个电阻，这个电阻R51在这个电路中主要起限制电流的作用。同时，对输入信号进行调理，保证输入信号在ADC输入范围内。由于本系统要求测量的精度不高，所以内部ADC电路的基准电压就用单片机电源电压。

3 系统软件设计

3.1 信号发生器程序模块

如图3所示为信号发生器程序模块的流程图。开始工作时，首先对相关参数变量进行初始化配置，如定义该函数所需要用到的变量值，对显示屏进行清屏，以及初始化显示相关波形的信息。不断地检测矩阵键盘的按键是否有按下，当有按键按下时，单片机计算对应键值，并根据键值解码为对应的信号参数，如频率值、幅值、波形类型等。单片机根据对应参数对AD9833的寄存器进行读写操作，改变输出波形信号的参数，同时将相应参数显示在液晶屏。

图3 信号发生器程序模块的流程图

3.2 电压表程序模块

如图4所示为电压表程序模块流程图，首先对ADC进行相应的初始化配置，如采样率、采集通道等。启动ADC转换器，等待转换结束，然后读取ADC的转换结果，并根据转换关系对结果进行换算处理，得到输入电压值，将电压值显示在液晶显示屏。

图4 电压表程序模块流程图

4 系统测试

4.1 信号发生器频率测试

为验证信号发生器相关指标参数是否能满足实验教学要求，对正弦、三角波、方波三种波形信号在100Hz至1MHz范围内的频率进行了测量，并通过标准仪器进行测试比对。标准仪器选择Agilent的数字频率计53220A。该仪器具有2个350 MHz输入通道，12位/秒分辨率。测量结果如表1所示。

表1 信号发生器输出频率表

根据表1中的测量结果及相对误差数据，可以看出本实验平台中信号发生器的正弦波、三角波和方波三种波形信号输出频率的精度较高。信号波形无明显失真，且幅值可通过按键模块手动调节。

4.2 直流电压表测试

采用直流稳压电源输出测试点电压值，并通过电压表功能模块和标准仪器分别对测试点电压值进行测量。标准仪器采用Agilent六位半台式万用表34401A。测试数据及相对误差如表2所示。

表2 直流电压表电压测量数据表

以台式万用表34401A测量值作为真值，通过对比表2中电压表模块与台式万用表所测的电压值数据，电压表模块测量精度较高，在0.5V至3V范围内，相对误差可达0.4%。

5 结语

实验平台主要用于电子测量与仪器实验教学，根据实验平台各功能模块，可以组建或开设设计性和综合性的电子测量与仪器实验项目，本实验平台具有以下优点：系统运行稳定、具有防电源反接、功能电路实验模块齐全、数据显示界面直观易懂、信号发生器输出信号频率设置方便、频率计输出范围较宽以及输出信号频率精度高等。经测试验证，本实验平台能够满足电子测量与仪器实验教学的需求，并且为电子类课程的实验教学提供了一种有效的应用方案。