遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張見齊 王梓晗

摘? 要 針對(duì)2017年全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽描述的一種遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試裝置的要求，提出一種實(shí)現(xiàn)方案，可用作電子信息類專業(yè)教學(xué)參考。系統(tǒng)由STM32作為主控;信號(hào)源采用DDS串接程控放大器，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅掃頻輸出;放大器采用衰減、低噪聲放大、功率放大的三級(jí)工作模式，實(shí)現(xiàn)高增益、高動(dòng)態(tài)范圍的小信號(hào)放大;幅頻特性測(cè)試模塊頻率信息、AD采集信息整合后完成幅頻特性曲線的顯示。

關(guān)鍵詞 幅頻特性;測(cè)試裝置;電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽;DDS;電子信息類專業(yè)

中圖分類號(hào)：G652? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）04-0031-04

Abstract The 2017 national electronic design competition describes the requirements of a remote amplitude-frequency characteristic testing device， and this paper proposes an implementation scheme， which can be used as a reference for teaching of Electronic Infor-mation Majors. The system is controlled by STM32. Signal source adopts DDS connected program control amplifier to realize steady amplitude sweep frequency output. The amplifier adopts three-level working mode of attenuation， low noise amplification and power amplification to realize small signal amplification with high gain and high dynamic range. The amplitude frequency characteristic curve is displayed after the integration of frequency information and AD acquisition information of the amplitude frequency characteristic test module.

Key words amplitude frequency characteristic; testing device; elec-tronic design competition; DDS; electronic information majors

1 引言

隨著國(guó)家對(duì)電子信息類技術(shù)人才的專業(yè)知識(shí)與技能要求的普遍提高，全社會(huì)需要大批高素質(zhì)創(chuàng)新型電子信息專業(yè)人才[1]。然而，傳統(tǒng)的授課型教育培養(yǎng)的畢業(yè)生已經(jīng)不能滿足就業(yè)崗位的高期待、高要求，學(xué)生只會(huì)考試不會(huì)動(dòng)手、缺乏合作能力、缺乏創(chuàng)新精神等現(xiàn)象暴露出當(dāng)前培養(yǎng)模式中實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的問題。電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的設(shè)立較好地彌補(bǔ)了各高校在電子信息類專業(yè)教學(xué)實(shí)踐中的不足[2]。電子競(jìng)賽采取“以賽促教”的模式，通過項(xiàng)目化、工程化模式，引導(dǎo)學(xué)生自主探究，提高參賽學(xué)生的動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新、攻關(guān)精神，非常符合電子信息類專業(yè)本科教學(xué)改革的要求。本文通過一個(gè)全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題的實(shí)現(xiàn)案例，來體現(xiàn)電子競(jìng)賽對(duì)本科教學(xué)實(shí)踐的促進(jìn)作用。

幅頻特性是一個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)在某一頻率范圍內(nèi)的幅度隨頻率變化的規(guī)律。在實(shí)際工程應(yīng)用中，幅頻特性是反映電路特性的重要信息，而傳統(tǒng)的幅頻特性的測(cè)試受到距離限制，不能滿足幅頻信息遠(yuǎn)距離、無線傳輸?shù)囊??；诖饲闆r，2017年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽提出一種遠(yuǎn)程幅頻特性的測(cè)試裝置，對(duì)該裝置劃分呈如下模塊并提出相應(yīng)設(shè)計(jì)要求（全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽官方網(wǎng)站）。

1）信號(hào)源。輸出頻率范圍1～40 MHz，頻率步進(jìn)1 MHz，幅度范圍5～100 mV可調(diào)，且具有自動(dòng)掃描功能。

2）待測(cè)放大器。要求輸入阻抗600 Ω，帶寬1～40 MHz，增益40 dB，要求在0～40 dB連續(xù)可調(diào)，在電源電壓為+5 V且負(fù)載電阻為600 Ω時(shí)，輸出電壓有效值為1 V。

3）幅頻特性測(cè)試裝置。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)有線、無線兩種方式的傳輸：使用有線方式傳輸時(shí)，利用雙絞線將信號(hào)源的頻率信息與放大器的輸出信號(hào)連接起來，由幅頻特性測(cè)試裝置完成對(duì)待測(cè)放大器的幅頻特性測(cè)試，且能夠在示波器上顯示放大器的幅頻特性曲線;使用無線方式傳輸時(shí)，使用Wi-Fi路由器自主搭建局域網(wǎng)，將信號(hào)源的頻率信息、放大器的輸出信號(hào)傳入局域網(wǎng)，由網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電腦顯示幅頻特性。

2 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)總框圖? 本系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器、放大器、幅頻特性測(cè)試與遠(yuǎn)程顯示模塊組成，系統(tǒng)總框圖如圖1所示。

信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)? 考慮采用數(shù)字鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)，但鎖相環(huán)的工作周期本身是一個(gè)惰性環(huán)節(jié)，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)，整個(gè)測(cè)試儀的反應(yīng)速度就會(huì)很慢，而且?guī)挷桓?。因此考慮采用數(shù)字直接頻率合成（DDS）技術(shù)[3]。AD9854是AD公司采用先進(jìn)的DDS技術(shù)生產(chǎn)的具有高級(jí)集成度的DDS器件，它的最高工作時(shí)鐘為300 MHz，正常輸出工作頻率范圍為0～140 MHz，精度可達(dá)0.04 Hz，幅度精度可達(dá)12位。STM32單片機(jī)作為控制核心，控制AD9854芯片產(chǎn)生頻率步進(jìn)為1 MHz、范圍為1～40 MHz、幅度恒為200 mV的點(diǎn)頻、掃頻正弦信號(hào)。

本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)5～100 mVpp的可調(diào)幅度輸出，為使得輸出信號(hào)噪聲小、精確度高，采用VCA821實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的衰減處理。VCA821是一款電壓控制型可變?cè)鲆娣糯笃?，采用單片機(jī)控制VCA821程控放大器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)源5～100 mV的信號(hào)輸出，并將信息通過串行口發(fā)送至后級(jí)。

放大器設(shè)計(jì)? 若采用直接放大0～40 dB的模式，為了實(shí)現(xiàn)最高40 dB、40 MHz帶寬的小信號(hào)放大，必須使用兩級(jí)高增益、低噪聲的程控集成運(yùn)放芯片實(shí)現(xiàn)。但經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前級(jí)增益過高時(shí)，會(huì)使得后級(jí)可調(diào)增益范圍過大，無法達(dá)到對(duì)原信號(hào)0～40 dB可調(diào)的信號(hào)輸出，此方案不可行。因此，采用程控衰減、固定增益放大、程控衰減、固定增益放大、功率放大的五級(jí)放大模式。第一級(jí)、第三級(jí)程控衰減均采HMC472芯片，實(shí)現(xiàn)0～-33 dB的信號(hào)衰減;第二級(jí)、第四級(jí)采用ERA-SM+系列芯片，分別實(shí)現(xiàn)33 dB、14 dB的低噪放大;最后一級(jí)采用兩OPA2695芯片并聯(lián)，最大可達(dá)56 dB且不失真。

幅頻特性測(cè)試與遠(yuǎn)程顯示模塊設(shè)計(jì)? 要實(shí)現(xiàn)頻率特性的測(cè)試，需要由本振源、待測(cè)電路、信號(hào)幅度采集、數(shù)據(jù)處理與顯示等四個(gè)模塊構(gòu)成。在本系統(tǒng)中，由信號(hào)源作為本振源，放大器作為待測(cè)電路，采用峰值檢波模塊，對(duì)放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)檢波并轉(zhuǎn)換為直流電平，由STM32控制進(jìn)行AD采集，將信號(hào)源發(fā)送的頻率信息與幅度數(shù)據(jù)合并為一路。有線方式傳輸時(shí)，串口接收到有線信道傳來的串口數(shù)據(jù)后，STM32控制DA將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為波形向示波器發(fā)送，以顯示幅頻特性曲線;無線方式傳輸時(shí)，STM32將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi[4]傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)內(nèi)的筆記本電腦，顯示幅頻特性曲線。

3 系統(tǒng)模塊的分析與實(shí)現(xiàn)

信號(hào)發(fā)生器

1）DDS信號(hào)源。本系統(tǒng)通過STM32控制AD9854芯片，實(shí)現(xiàn)1 MHz頻率的步進(jìn)，輸出1～40 MHz頻率范圍內(nèi)的點(diǎn)頻或掃頻信號(hào)，同時(shí)控制寫入幅度控制字，使其實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅輸出在200 mV。

信號(hào)源DDS輸出電阻為50 Ω，VCA821輸入用50 Ω電阻匹配，輸出負(fù)載600 Ω。STM32提供的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)5～100 mV的可調(diào)輸出。信號(hào)源模塊框圖如圖2所示。

2）程控衰減模塊。本系統(tǒng)采用VCA821對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減處理。根據(jù)前級(jí)DDS產(chǎn)生的全頻帶200 mV峰峰值的輸出，需要將信號(hào)衰減6～32 dB：放大器1）輸入輸出特性分析。為了實(shí)現(xiàn)5～100 mV、增益0～

40 dB可調(diào)且能達(dá)到1 Vrms，則放大器應(yīng)當(dāng)滿足圖3所示的輸入輸出曲線。當(dāng)Vmax=1 Vrms，Gmax=40 dB +9 dB =49 dB。

當(dāng)輸入電壓小于10 mVpp時(shí)，放大器需要輸出0～Gmax的增益[5];當(dāng)輸入電壓大于10 mVpp時(shí)，需要保證輸出為1 Vrms，則其電壓增益不再能達(dá)到49 dB，而是隨著輸入電壓的增大而減小。

2）放大鏈路設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)最大增益需達(dá)到49 dB，一級(jí)放大電路難以實(shí)現(xiàn)，因此需要多級(jí)放大器級(jí)聯(lián);又根據(jù)放大器需要的輸入輸出特性可得，當(dāng)輸入電壓過大時(shí)，適合小信號(hào)放大的放大器難以工作在線性區(qū)，因此采用預(yù)先程控衰減的模式，為后級(jí)放大器提供合適的輸入幅度。采用低噪聲程控放大器HMC472，實(shí)現(xiàn)0～-33 dB增益的程控衰減，隨后跟一固定增益低噪聲放大器。ERA-3SM+能夠?qū)崿F(xiàn)33 dB的固定增益放大，可實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減的補(bǔ)償至0 dB。

為了達(dá)到49 dB的鏈路總增益，以及40 dB的增益可調(diào)范圍，還需進(jìn)行一級(jí)衰減，再接一級(jí)HMC472以及固定增益放大，才可以達(dá)到40 dB的增益可調(diào)控制。放大器模塊框圖如圖4所示。

3）功率放大電路。放大器在+5 V供電下需要達(dá)到1 Vrms的輸出，普通的單級(jí)運(yùn)放會(huì)因?yàn)檩敵鼋咏娫措妷憾a(chǎn)生波形削頂失真。OPA2695內(nèi)含并聯(lián)的兩級(jí)運(yùn)放，能夠提高輸出電壓的幅度。采用兩級(jí)OPA2695并聯(lián)，可以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的輸出電壓，且提供9 dB的增益，使得系統(tǒng)的輸出幅度、總增益留有一定的裕量。

經(jīng)過計(jì)算，系統(tǒng)的總增益為33 dB+14 dB+9 dB=56 dB，總衰減為（-33 dB）+（-33 dB）=-66 dB，增益變化范圍為Gmax=56 dB，Gmin=（56 dB-66 dB）=-10 dB。

幅頻特性測(cè)試儀器

1）幅頻特性測(cè)試。幅頻特性定義為信號(hào)的幅度隨頻率變化的規(guī)律。要測(cè)試放大器的幅頻特性，需要測(cè)試放大器在各個(gè)頻點(diǎn)上的對(duì)應(yīng)輸出幅度。由于信號(hào)源的輸出幅度即放大器的輸入幅度需要保持恒定，可以保證輸出幅度的變化規(guī)律就能反應(yīng)放大器的幅頻特性。只要將幅度—頻率的對(duì)應(yīng)值順序顯示在示波器上，即可得到幅頻特性。

2）輸出幅度測(cè)量。放大器輸出通過峰值檢波模塊，將幅度信息轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的直流電位，并由STM32控制AD進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3）遠(yuǎn)程幅頻特性顯示。系統(tǒng)采用UART串口通信方式，由信號(hào)源單片機(jī)產(chǎn)生頻率信息，并通過串口將頻率信息數(shù)據(jù)傳給后級(jí)的信號(hào)傳輸與采集模塊，該模塊將頻率信息與幅度信息的合并信息一同通過串口傳送給后級(jí)進(jìn)行顯示。與后級(jí)進(jìn)行有線信道傳輸時(shí)，使用衰減小、可靠性高的雙絞線進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸;與后級(jí)進(jìn)行無線信道傳輸時(shí)，使用Wi-Fi透?jìng)髂Ｊ絒6]，將串口發(fā)送的數(shù)據(jù)直接發(fā)送至局域網(wǎng)內(nèi)路由器或PC端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)幅頻特性顯示。

4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

測(cè)試儀器? 測(cè)試儀器包括GWINSTEK MFG-2260 MFA函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、GWINSTEK GDS-3504數(shù)字示波器。

測(cè)試方案、結(jié)果及分析

1）信號(hào)源。

①測(cè)試方法：分別產(chǎn)生1～40 MHz頻率可調(diào)、輸出幅度可調(diào)、可自動(dòng)掃描的正弦波，使用示波器在測(cè)試點(diǎn)觀察示波器示數(shù)。

②測(cè)試條件：600 Ω負(fù)載。

③測(cè)試結(jié)果：見表1。

④分析：各指標(biāo)均能實(shí)現(xiàn)，波形無明顯失真。

2）放大器總增益測(cè)試。

①測(cè)試方法：通過點(diǎn)頻測(cè)量，輸入20 MHz、10 mVpp的信號(hào)，在示波器上測(cè)其輸出。

②測(cè)試結(jié)果與分析：輸出電壓可達(dá)到2.800 Vpp（有效值1 V）以上，波形無失真。測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

3）放大器增益范圍測(cè)試

①測(cè)試方法：通過點(diǎn)頻測(cè)量，輸入20 MHz、10 mVpp的信號(hào)，調(diào)節(jié)放大器的增益，在示波器上測(cè)其輸出。

②測(cè)試結(jié)果與分析：輸出電壓可達(dá)到0.010 Vpp、

2.850 Vpp，能夠通過調(diào)節(jié)增益輸出0～49 dB增益的信號(hào)，波形無失真。測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

4）放大器帶寬測(cè)試。

①測(cè)試方法：通過點(diǎn)頻測(cè)量，輸入1 MHz、40 MHz相同幅度的信號(hào)，通過示波器測(cè)其輸出。

②測(cè)試結(jié)果與分析：在輸入幅度為100 mVpp時(shí)，輸出電壓在端點(diǎn)頻率處分別為2.05 Vpp、2.55 Vpp。測(cè)試數(shù)據(jù)見表4。

5）遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試裝置。首先斷開信號(hào)源模塊，用示波器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源接放大器輸入端逐頻點(diǎn)測(cè)試放大器輸出幅度，再接自制DDS信號(hào)源進(jìn)行掃頻測(cè)試，對(duì)比兩者一致性。裝置可以進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)1.5米的遠(yuǎn)程有線傳輸，使半徑1.5米以內(nèi)的示波器可以遠(yuǎn)程測(cè)試;或者通過無線路由器，使同一個(gè)局域網(wǎng)的Windows PC進(jìn)行測(cè)試結(jié)果的顯示。

測(cè)試表明，示波器能夠正確顯示放大器的幅頻特性;進(jìn)一步驗(yàn)證表明，當(dāng)電路參數(shù)變化時(shí)，曲線會(huì)跟隨其變化而變化。

5 結(jié)語

實(shí)測(cè)表明，本系統(tǒng)在信號(hào)源、放大器的各項(xiàng)性能上都可以達(dá)到甚至超過設(shè)計(jì)要求。信號(hào)源部分，其測(cè)試范圍還具有可擴(kuò)展性;實(shí)測(cè)表明，AD9854的可控穩(wěn)定輸出范圍能達(dá)到100 MHz，通過數(shù)控方式修正控制字，即可讓其實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅輸出，以用于更廣范圍的幅頻特性測(cè)試。待測(cè)放大器部分，采用的五級(jí)放大模式能夠?qū)崿F(xiàn)高增益、低噪聲的小信號(hào)放大，且在不同頻率下放大倍數(shù)基本不變，性能高，為高帶寬、高動(dòng)態(tài)范圍的低噪聲放大提出一種良好的解決方案。在幅頻特性測(cè)試方面，幅頻信息能夠通過各類信道進(jìn)行信號(hào)傳輸，在示波器、PC端顯示放大器的幅頻特性。DDS的優(yōu)良性能可以實(shí)現(xiàn)高掃頻速度，保證幅頻曲線的刷新時(shí)間小于1秒。綜合對(duì)比示波器得到的幅頻特性結(jié)果，本裝置的頻率測(cè)試范圍更廣，且精度更高。

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