摘要：文章以ARM微處理器為核心，采用直接頻率合成技術，設計了一種低頻高精度的幅頻特性測試儀。系統(tǒng)以直接數(shù)字頻率合成器AD9851作為掃頻信號源，用真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637實現(xiàn)對被測網(wǎng)絡的幅頻特性的測量，經(jīng)ARM采樣與處理，最后得到被測網(wǎng)絡的幅頻特性曲線。實驗結果表明，本系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)各種測試功能，而且測試頻率能提高到8MHz。因此本系統(tǒng)為現(xiàn)代電子科研實驗室提供了一種高精度和有較高實用價值的低頻幅頻特性測試儀。
關鍵詞：幅頻特性；直接數(shù)字頻率合成；真有效值；模／數(shù)轉(zhuǎn)換

0 引言
    電子測量中，我們經(jīng)常會遇到對網(wǎng)絡的阻抗和傳輸特性的測量。幅頻特性就是重要的傳輸特性之一，它也是各種電路系統(tǒng)及電子儀器的重要性能指標，是一個網(wǎng)絡性能最直觀的反映。幅頻特性測試儀被廣泛應用于電子工程等領域，尤其是模擬和高頻、射頻電子線路中。
    傳統(tǒng)的幅頻特性測試儀大多是用LC電路構成的掃頻振蕩器，其結構復雜、體積龐大、價格昂貴、功能單一、操作不便、性價比較低。其方法是在一系列規(guī)定的頻率點上，逐點測量網(wǎng)絡增益，從而確定幅頻特性曲線。用這種方法得到的幅頻特性曲線比較精確，但其缺點是操作繁瑣、工作量大、容易漏測某些細節(jié)，不能反映出被測網(wǎng)絡的動態(tài)特性。而現(xiàn)有的幅頻特性測試儀也不能很好地滿足用戶的需求，要么存在設備體積大、易有故障、并且操作復雜等缺點，難以滿足尤其是現(xiàn)場自動測試的要求，要么就是結構復雜、價格昂貴、維護困難。因此，對于數(shù)字化、智能化、高性能幅頻特性測試儀的需求量日益增大，基于此原因本文設計了基于ARM的數(shù)字幅頻特性測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案實現(xiàn)
    傳統(tǒng)的數(shù)字幅頻特性測量儀是通過測量頻率得到正弦信號的峰峰值，然后通過計算得到幅度。這樣為了保證A／D采樣的精度，一般在進入A／D采樣之前，需要對被測信號進行幅度調(diào)理，確保被測峰峰值在A／D采樣的電壓范圍內(nèi)。另外，進入A／D進行采樣的信號必須滿足抽樣定理，即fs≥2fi，所以在進入A／D采樣之前必須用低通濾波器對其濾波，以防止頻譜混疊而影響測量結果。此方案具有抗干擾能力強、設計靈活、精度高等優(yōu)點，但調(diào)試困難，A／D采樣困難且計算量大，增加了軟件難度。由于預先不知道被測網(wǎng)絡的頻響特性，故掃頻信號通過被測網(wǎng)絡后可能發(fā)生很多種未知的變化，本文采用集成真有效值變換芯片，直接輸出被測信號的真有效值。這樣可以實現(xiàn)對任意波形的有效值測量。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件電路設計和軟件編寫
2．1 供電電路設計
    根據(jù)系統(tǒng)性能的要求，需要設計±5V和+3．3V的直流穩(wěn)壓電源，而且要求電源的紋波應盡量的小，以減少對輸出信號的干擾。電源采用橋式全波整流、大電容濾波和三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓的方法產(chǎn)生±5V和+3．3V直流電壓，固定輸出的三端穩(wěn)壓芯片為LM7805和LM7905。穩(wěn)壓管的輸出通過電容和電感濾波；數(shù)字部分與模擬部分用電感隔離，這樣就可以得到紋波系數(shù)很小的直流電壓，其中±5V供電具體電路如圖2所示。

2．2 掃頻信號電路設計
    掃頻信號源在頻率特性測試儀中有著重要的地位，它的各項性能指標直接關系到整個測試系統(tǒng)所能達到的性能要求。其掃頻信號的中心頻率都應當是被測網(wǎng)絡通頻帶的中心頻率，掃頻寬度應稍大于被測網(wǎng)絡的帶寬。為此要求掃頻信號源的中心頻率及掃頻寬度均可獨立調(diào)節(jié)。而具有高集成度的DDS芯片AD9851內(nèi)部包含高速、高性能D／A轉(zhuǎn)換器及高速比較器，可作為全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時鐘發(fā)生器。外接精密時鐘源時，AD9851可以產(chǎn)生一個頻譜純凈、頻率和相位都可以編程控制且穩(wěn)定性很好的模擬正弦波，這個正弦波能夠直接作為基準信號源。AD9851可直接與STM32接口，通過程序來進行控制。實際電路中，AD9851采用高速并行接口工作方式，STM32利用并行方式對AD9851進行控制，其頻率和相位控制字直接寫入數(shù)據(jù)輸入寄存器中。AD9851芯片采用±5V供電，外部時鐘采用30MHz晶體，內(nèi)部寄存器控制6倍頻，信號輸出為恒流源。RSET引腳用來配置其內(nèi)部D／A轉(zhuǎn)換器的滿度輸出電流值。從AD9851的數(shù)據(jù)手冊中可知，DAC滿幅輸出電流為Iout=39．93／   Rset。
    本設計電路中RSET引腳直接連接一個3．9k Ω的電阻，故根據(jù)輸出電流計算公式可得到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的滿幅輸出電流IOUT為10mA。IOUTB引腳是IOUT引腳的互補輸出端，它可輸出與IOUT引腳相同的電流，即10mA的正弦交流信號。電路中IOUT、IOUTB引腳外接的輸出電阻值為100kΩ形成高阻差分輸出狀態(tài)。具體電路設計如圖3所示。

2．3 信號調(diào)理電路
    由于AD9851芯片內(nèi)部的D／A為電流輸出型，因此設計中必須做電流對電壓的轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)設計采用AD811進行功率放大和電流對電壓轉(zhuǎn)換。AD811是美國模擬器件公司推出的一種寬帶電流反饋運算放大器，具有高速、高頻、寬頻帶、低噪聲等優(yōu)異特性。其AD811信號調(diào)理電路圖如圖4所示，在圖3電路中設計輸入電阻R4、R5均為100 Ω，與AD9851輸出進行阻抗匹配，得到AD811的差分輸入峰峰值為1V的正弦波電壓。AD811組成的差分放大電路可將電壓信號穩(wěn)幅放大5倍，輸出電阻為100 Ω。

2．4 峰值檢測電路設計
    峰值檢測模塊電路的核心器件選用了AD公司的RMS-DC交換器件AD637。它具有響應速度快、響應時間和信號幅度無關等特點。設計電路中，測量信號從芯片第13管腳VIN輸入，經(jīng)過有源整流器(亦稱絕對值電路)、平方器／乘法器、濾波放大器、偏置電路和緩沖放大器5部分后，由第14管腳BUFF OUT輸出真有效值電平信號。由于被測信號可以不需要偏置，所以電路中將芯片第3管腳COMMON和第4管腳OFFSET直接接地；片選CS懸空，默認使能。連接在芯片第8、9腳之間的平均電容CAV，是影響測量精確度和響應時間的重要參數(shù)，它可用來設定平均時間常數(shù)，并決定低頻準確度、輸出紋波大小和穩(wěn)定時間。盡管增加CAV的容量可以減小紋波電壓產(chǎn)生的交流誤差，但溫度時間也會按比例增加，使測量時間大為延長。一般外圍電路可通過第9管胸OUT和第6管腳DEN設置一個可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)。因為本課題只需測量低頻信號的真有效值，所以平均電容CAV可以適當增大，R2設置為510 Ω，完全可以保證響應時間和測量精度的要求。具體電路如圖5所示。根據(jù)AD637特性曲線，輸入電壓在200mV～2V范圍內(nèi)有最佳頻率響應，故DDS掃頻信號應控制在此范圍內(nèi)。

2．5 系統(tǒng)控制算法軟件實現(xiàn)
    在幅頻特性測試的程序設計中，要注意硬件電路的反應時間。對于波形顯示方面，關鍵是掃描速度和垂直靈敏度的設計及在保證精度的條件下盡可能提高采樣速率。在采樣方面，使用了STM32F103ZE的DMA控制器，能在一定基礎上提高采樣速率的極限。在系統(tǒng)上電初始化進入界面菜單后，用鍵盤控制DDS產(chǎn)生正弦波掃頻信號，輸入被測網(wǎng)絡，然后用AD637測量網(wǎng)絡輸出的真有效值，接著MCU通過AD采取真有效值進行分析處理，得出被測網(wǎng)絡的幅頻特性，最后送TFT液晶顯示器顯示被測網(wǎng)絡幅頻特性曲線。系統(tǒng)具體程序設計流程圖如圖6所示。

3 實驗結果及分析
3．1 技術指標
    技術指標：掃頻范圍：10Hz～100kHz；幅值范圍：200mV～2V，連續(xù)可變；頻率間隔：鍵盤任意設定，實現(xiàn)0～N線形增長；測量精度：小于1％；顯示模塊：3．2英寸TFT液晶。
3．2 測量結果及分析
    系統(tǒng)設計完成進行測試，主要針對系統(tǒng)的頻率及電壓指標的測量，并計算各項指標的相對誤差。
3．2．1 DDS輸出信號精度測試
    由于AD9851輸出頻率和幅度均程控可調(diào)，根據(jù)系統(tǒng)要求，只需測試AD9851輸出峰峰值為3V左右，頻率范圍為10Hz～100kHz的正弦波信號的誤差。表1給出了使用標準數(shù)字示波器的測量結果。從表1中可以看出，測頻誤差為0，DDS輸出達到掃頻信號源的精度要求，但在實際操作中，AD9851可輸出最高頻率可達72MHZ，并且無明顯失真。

3．2．2 A／D電壓誤差測試
    A／D電壓誤差測試使用數(shù)字萬用表作為標準，表2記錄了電壓測試結果。從表2中可以看出，系統(tǒng)AD電壓測量相對于萬用表測量值最大誤差為0．6％，滿足系統(tǒng)1％以內(nèi)的誤差要求。

3．2．3 真有效值準確度測試
    利用函數(shù)信號發(fā)生器輸入頻率為50Hz，有效值為20mV～2．5V的正弦波信號，然后利用示波器在輸出端測量經(jīng)其轉(zhuǎn)換后的支流電平，可以測量出AD637準確度，其測量結果如表3所示。從表3中可以看出本設計電路的真有效值轉(zhuǎn)換電路誤差不超過0．06％，滿足題目要求。

3．2．4 AD637頻率特性測試
    測量AD637頻率特性，是為了測試其是否對被測網(wǎng)絡有影響。用函數(shù)信號發(fā)生器輸入有效值為2V、頻率為10Hz～10MHz的正弦波信號，然后利用示波器在輸出端測量經(jīng)其轉(zhuǎn)換后的支流電平，測量結果如表4所示。

4 結論
    本文設計了基于ARM的數(shù)字控制低頻幅頻特性測試儀系統(tǒng)，本系統(tǒng)體積較小，選用ARM核心平臺是STM32，無需外部擴展EPROM和RAM。另外，由于使用了DDS集成電路產(chǎn)生的掃頻信號，所以掃頻信號的質(zhì)量精度高，掃頻范圍較寬。經(jīng)過測試，本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，繪制的幅頻特性圖與理論一致。此外，軟件的操作使用和圖形數(shù)據(jù)的處理非常方便，整個儀器的使用也非常簡單，是傳統(tǒng)的模擬幅頻特性測試儀無法相比的，因此在高校電子實驗室有比較高的應用價值。