謝桂輝 鄭旭初 趙天明 劉子緒 趙娟

摘 ?要： 介紹一種基于STM32與FPGA雙控制核心的遠(yuǎn)程寬帶大動(dòng)態(tài)范圍的幅頻特性測試裝置。該裝置采用直接數(shù)字頻率合成芯片AD9959產(chǎn)生頻率和幅度均可控的正弦信號，并將其發(fā)送至待測網(wǎng)絡(luò)。接收端對待測網(wǎng)絡(luò)的輸出信號進(jìn)行可變增益放大和欠采樣數(shù)字峰值檢測后，將幅頻信息通過WiFi模塊無線傳輸至上位機(jī)進(jìn)行幅頻特性曲線的顯示。該裝置具有500 kHz～100 MHz的寬帶掃頻范圍，52 dB的大動(dòng)態(tài)范圍，靈敏度可達(dá)100 μV，支持多節(jié)點(diǎn)測試。由于采用了欠采樣技術(shù)，該系統(tǒng)不需要高速ADC即可完成寬帶信號采樣，具有成本低、易維護(hù)等特點(diǎn)，可滿足分布式測量、野外作業(yè)等特殊場景下的幅頻特性測試需要，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程幅頻特性測試; 寬帶掃頻; 動(dòng)態(tài)范圍; 欠采樣; STM32; FPGA

中圖分類號： TN06?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

幅頻特性測試裝置是一種專門用于測量電子設(shè)備或產(chǎn)品中特定電路頻率特性的儀器，常用于濾波器網(wǎng)絡(luò)、放大器網(wǎng)絡(luò)等電路的測量與驗(yàn)證。其降低了測量操作的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了快速、方便、準(zhǔn)確、直觀的測量過程。

目前國內(nèi)外市場上的掃頻儀大多價(jià)格高昂、操作繁瑣、體積較大且不具有無線傳輸能力，具有不便攜帶、難以應(yīng)用于野外環(huán)境的問題。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款低成本、可測試頻率覆蓋500 kHz～100 MHz、可測試幅度最低達(dá)100 μV的便攜式遠(yuǎn)程幅頻特性測試裝置，適用于野外環(huán)境等場景測試。

1 ?系統(tǒng)方案論證

本儀器以STM32為控制核心、FPGA作為數(shù)據(jù)采集核心、ESP8266為WiFi傳輸核心，主要由信號源模塊、自動(dòng)增益控制模塊、幅度檢測模塊和WiFi模塊組成。采用DDS芯片AD9959產(chǎn)生正弦掃頻電流信號經(jīng)[I/V]轉(zhuǎn)換電路處理后輸出，作為被測網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)信號。設(shè)計(jì)可變增益放大電路對被測網(wǎng)絡(luò)輸出信號進(jìn)行自適應(yīng)放大，調(diào)整為合適的幅度供ADC采樣，由高速ADC采集后輸入至FPGA測幅，將測得的幅度信息與源信號的頻率信息送入STM32分析，結(jié)果通過WiFi上傳至上位機(jī)，生成待測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測量待測網(wǎng)絡(luò)幅頻特性的功能。單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖和多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)框圖如圖1，圖2所示。

圖1 ?單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

圖2 ?多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)框圖

2 ?系統(tǒng)功能硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ?信號源模塊

信號源模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生測試所需源信號。該模塊由集成DDS芯片AD9958和[I/V]轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。模塊由單獨(dú)的STM32單片機(jī)進(jìn)行控制，與幅頻特性測試模塊分離，模塊具有生成500 kHz～100 MHz的超寬帶掃頻信號的能力。

AD9958輸出信號的峰峰值受10位幅度控制字控制，AD9958的輸出信號峰峰值范圍為0～500 mV：

[Vout=RDW210×500 ?mV] （1）

式中：[Vout]為輸出信號幅度;RDW為頻率控制字。由式（1）知，其幅度精度為0.5 mV。

AD9958的輸出為電流量，通過外部[I/V]轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，輸出電壓信號。

2.2 ?增益控制模塊

增益控制模塊負(fù)責(zé)對待測網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)信號進(jìn)行處理以便于ADC采樣。該模塊由前級固定增益電路、中間級壓控增益電路和末級固定增益電路構(gòu)成。

前級固定增益電路采用高速電流反饋運(yùn)算放大器AD8009。該芯片的小信號帶寬達(dá)350 MHz，在130 MHz以下具有0.1 dB的增益平坦度。設(shè)計(jì)本級固定增益為12 dB，輸入信號頻率最大值為100 MHz。

中間級壓控增益電路采用兩級壓控放大器VCA821。該芯片的增益可根據(jù)控制電壓[VG]調(diào)節(jié)帶寬達(dá)320 MHz，在135 MHz以下具有0.1 dB的增益平坦度，單片增益可調(diào)范圍大于40 dB。為避免放大倍數(shù)過大引起芯片自激振蕩，設(shè)計(jì)本級的增益范圍為0～52 dB，輸入信號頻率最大值為100 MHz，增益可根據(jù)控制電壓連續(xù)調(diào)節(jié)。

末級固定增益電路采用AD8009。本級主要考慮芯片壓擺率是否達(dá)標(biāo)，芯片壓擺率達(dá)5 500 [Vμs]，允許的最高輸出信號峰峰值為17.5 V。

設(shè)計(jì)本級固定增益為12 dB，輸出信號的最大幅度峰峰值為4 V，最高頻率為100 MHz。AD8009符合設(shè)計(jì)要求。

本模塊設(shè)計(jì)四級增益范圍共24～76 dB，級間阻抗匹配衰減24 dB，最終增益范圍為0～52 dB，電路圖如圖3～圖5所示。

圖3 ?前級固定增益電路圖

圖4 ?末級固定增益電路圖

2.3 ?幅度測試模塊

幅度測試模塊負(fù)責(zé)采集經(jīng)增益控制模塊處理后的信號幅度。該模塊由獨(dú)立于信號源模塊的STM32單片機(jī)控制，采用FPGA控制A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS805測幅，ADS805具有12位有效位，即幅度采樣精度可達(dá)[5 ?V212≈1.22] mV，能夠較準(zhǔn)確地檢測幅值信息。電路圖如圖6所示。

圖6 ?幅度檢測電路

FPGA采樣完成后進(jìn)行峰值檢波，并將幅度信息發(fā)送到STM32，由STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝和打包，最后上傳到WiFi模塊完成數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 ?WiFi模塊

該模塊采用ESP8266無線模塊制作。ESP8266系列芯片集成度高、功耗低、成本低、體積小，非常適用于便攜式設(shè)備中無線控制領(lǐng)域的應(yīng)用。該模塊內(nèi)部具有32位MCU處理功能，可獨(dú)立于單片機(jī)之外工作。ESP8266模塊帶有斷電寄存器E2ROOM，能夠在突然掉電的情況下實(shí)時(shí)保留斷電前的狀態(tài)，再次上電時(shí)，數(shù)值不變。ESP8266收發(fā)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，傳輸波特率可達(dá)115 200 b/s。ESP8266的供電電壓為3.3 V，可利用單片機(jī)的3.3 V引腳進(jìn)行供電，電壓穩(wěn)定。

ESP8266支持AT指令方式進(jìn)行配置，選擇UDP透傳的配置方式。在該種方式下，ESP8266模塊Rx引腳接收到的輸出將會轉(zhuǎn)發(fā)至UDP透傳綁定的IP端口，配置ESP8266在上電后立刻連接路由器并綁定上位機(jī)的IP端口，上位機(jī)端使用UDP調(diào)試助手接收數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)與預(yù)設(shè)條件匹配的數(shù)據(jù)包，則繪制幅頻特性曲線。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分包括主控程序、欠采樣測幅程序、ESP8266配置程序。其中，主控程序在STM32中執(zhí)行，負(fù)責(zé)完成壓控增益運(yùn)放的控制電壓調(diào)節(jié)、集成DDS芯片的配置、幅度測量數(shù)據(jù)的處理等。欠采樣測幅程序在FPGA中完成，主要實(shí)現(xiàn)寬帶信號的精確測幅。上位機(jī)程序負(fù)責(zé)處理WiFi模塊上傳的數(shù)據(jù)，程序運(yùn)行流暢，界面友好。各程序遵循結(jié)構(gòu)化、層次化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)軟件得以有條不紊地運(yùn)行。

3.1 ?主控程序

主控程序分為兩個(gè)單元：主控單元一負(fù)責(zé)配置信號源模塊和調(diào)節(jié)增益控制電壓;主控單元二負(fù)責(zé)對采集的數(shù)據(jù)處理。

主控單元一作為主動(dòng)發(fā)送方，上電后首先初始化，然后進(jìn)入等待遙控指令狀態(tài)。收到遙控指令時(shí)，控制器對相應(yīng)情況作出反應(yīng)，主要包括信號源模塊控制和增益模塊控制電壓調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)采用的主要思路是：主函數(shù)執(zhí)行遙控按鍵檢測命令，并根據(jù)不同的按鍵命令調(diào)用不同的函數(shù)作出相應(yīng)處理，最后返回主函數(shù)繼續(xù)等待命令。程序流程圖如圖7所示。

主控單元二作為數(shù)據(jù)被動(dòng)接收方，其主要功能是處理采集到的幅度數(shù)據(jù)和配置WiFi模塊。上電后首先初始化并配置WiFi模塊，然后串口接收并處理FPGA發(fā)送的幅度信息，識別對應(yīng)頻率，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送至WiFi模塊。程序流程圖如圖8所示。

圖7 ?STM32主控單元一程序流程圖

圖8 ?STM32主控單元二程序流程圖

3.2 ?欠采樣程序

系統(tǒng)采用欠采樣測量信號幅度。欠采樣可實(shí)現(xiàn)以低采樣率檢測高頻率信號的工作，故其能夠明顯降低對A/D轉(zhuǎn)換芯片采樣率的要求。為提高欠采樣測幅的精確度，解決僅采用單頻欠采樣面臨的難以測量采樣頻率整數(shù)倍信號的難題，本系統(tǒng)使用多個(gè)不成倍數(shù)關(guān)系的采樣頻率進(jìn)行欠采樣。當(dāng)待測頻率不為多個(gè)采樣頻率的公倍數(shù)時(shí)可以正確檢測，通過合理設(shè)計(jì)多個(gè)采樣頻率值，可以近似地看作對于全頻段具有采樣能力。欠采樣程序流程圖如圖9所示。

3.3 ?ESP8266配置程序

ESP8266支持三種模式，分別是softAP模式、station模式、softAP+station模式。本系統(tǒng)將ESP8266配置為station模式，作為節(jié)點(diǎn)與路由器進(jìn)行通信。

圖9 ?欠采樣程序流程圖

程序首先對STM32串口進(jìn)行初始化，之后STM32通過串口通信完成對ESP8266模塊的初始化配置，使ESP8266工作在station模式，并綁定WiFi連接。對ESP8266配置的初始化過程多使用AT命令，常用的AT命令有：AT+CWIAP列出當(dāng)前可加入網(wǎng)絡(luò)、AT+CWJAP加入AP、AT+CWDHCP設(shè)置DHCP開關(guān)、AT+CWAVTOCONN在station模式下設(shè)置開機(jī)自動(dòng)連接WiFi等。ESP8266與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸模式配置為UDP透傳，UDP稱為用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，不需要數(shù)據(jù)接收方的回應(yīng)，也不進(jìn)行數(shù)據(jù)保留，即兩個(gè)端口之間不建立連接，相較于TCP/IP協(xié)議，UDP協(xié)議的實(shí)時(shí)性更高、速度更快、更為簡單經(jīng)濟(jì)，使其更適用于對實(shí)時(shí)傳輸有較高要求的幅頻特性測試。

4 ?測試數(shù)據(jù)及分析

4.1 ?信號源模塊輸出測試

測試條件：負(fù)載600 Ω。

測試方法：在輸出峰峰值范圍內(nèi)選擇5 mV/10 mV/20 mV/50 mV/100 mV作為典型值進(jìn)行測試。記錄其在不同頻率條件下的實(shí)際輸出峰峰值，觀察信號源的實(shí)際輸出峰峰值、頻率范圍，如表1所示。

表1 ?信號源模塊輸出測試表

結(jié)果分析：信號源模塊滿足輸出信號峰峰值范圍5 mV～100 mV、頻率范圍500 kHz～100 MHz的要求，頻率支持100 kHz、1 MHz兩檔步進(jìn)，頻帶內(nèi)起伏較小。

4.2 ?增益控制模塊輸出測試

測試條件：使用自制信號源測試。

測試方法：設(shè)定固定的增益控制電壓，改變信號源的輸出峰峰值和頻率，記錄放大網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出峰峰值，如表2所示。

表2 ?增益控制模塊輸出測試表

結(jié)果分析：放大網(wǎng)絡(luò)模塊通頻帶較預(yù)期值誤差小于9‰，增益可調(diào)范圍滿足0～52 dB連續(xù)可調(diào)，輸出波形未發(fā)生明顯失真。

4.3 ?系統(tǒng)總體測試

測試條件：使用自制信號源模塊、無源低通網(wǎng)絡(luò)、WiFi模塊進(jìn)行測試。

測試方法：啟動(dòng)信號源模塊的掃頻功能，將接收到的數(shù)據(jù)通過WiFi模塊上傳至上位機(jī)，由UDP調(diào)試助手顯示幅頻特性曲線。

測試結(jié)果：能夠在上位機(jī)上顯示被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。

結(jié)果分析：幅頻特性曲線趨勢正確，曲線較為平滑。如圖10所示。

圖10 ?上位機(jī)程序結(jié)果圖

5 ?結(jié) ?語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)寬帶遠(yuǎn)程幅頻特性測試儀，該測試儀具有500 kHz～100 MHz的帶寬、52 dB的動(dòng)態(tài)范圍，最低輸入信號幅度峰峰值低至100 μV?？蛇h(yuǎn)程測試，支持多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，同時(shí)本文利用雙頻峰值采樣，實(shí)現(xiàn)了對高頻寬帶信號的低成本精確采樣，大大降低了硬件成本。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，可擴(kuò)展性強(qiáng)，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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