唐 源 羅相誠

（桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

近幾十年以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，使電子測(cè)量技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的變化。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與電子測(cè)量儀器相互結(jié)合，構(gòu)造了新一代的智能化儀器和自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。目前，國外電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要以發(fā)展虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為主，它是以現(xiàn)代電子測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和LabVIEW模塊化編程方式及交互式界面的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)功能完善、自動(dòng)測(cè)試、使用方便、高效的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。國內(nèi)的電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要以示波器、信號(hào)源等通用測(cè)試設(shè)備為主，設(shè)備功能齊全、操作簡單，但輸入輸出接口較單一，不利用組建復(fù)雜的綜合性測(cè)試系統(tǒng)，因此開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。隨著計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)將向可遠(yuǎn)程控制、虛擬化與智能化發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控器，控制DDS芯片產(chǎn)生正弦、三角、方波等波形信號(hào)，波形參數(shù)可通過按鍵模塊實(shí)現(xiàn)相關(guān)的配置修改，輸出參數(shù)則可以通過液晶屏直觀顯示；利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器，對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行脈沖的計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量；設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)于直流電壓輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，并通過ADC實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，經(jīng)主控器處理后在液晶屏顯示，實(shí)現(xiàn)直流電壓的采集與顯示；檢波電路主要包括均值檢波、有效值檢波和峰值檢波電路，主要是通過OP07、AD637等器件以及相應(yīng)的外圍電路來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能電路；整形電路原理也較為簡單，通過比較器電路及相應(yīng)的濾波，實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦等非方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)；移相器電路則實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)波形相位的調(diào)理。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

以理論教學(xué)內(nèi)容為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各功能模塊電路，通過各功能模塊組建復(fù)雜的綜合性或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。平臺(tái)的功能電路決定了開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的種類與性質(zhì)，而功能電路的穩(wěn)定性則會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)的正常開展。下面以信號(hào)發(fā)生器和直流電壓表模塊為例，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討與研究。

2.1 信號(hào)發(fā)生器電路設(shè)計(jì)

直接數(shù)字頻率合成（DDS）的理論基礎(chǔ)是奈奎斯特采樣定理和數(shù)字頻率合成定理。根據(jù)采樣定理，可以認(rèn)為采樣定理的逆向運(yùn)用就是直接數(shù)字頻率合成技術(shù)。DDS技術(shù)就是利用那些完成了信號(hào)的采樣和數(shù)字量化之后的量化信號(hào)，在一些技術(shù)手段下，將其恢復(fù)到原始的信號(hào)。

DDS基本的工作結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。DDS的結(jié)構(gòu)包括基準(zhǔn)時(shí)鐘源、N位加法器、N位相位寄存器、波形存儲(chǔ)器（ROM）、高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和低通濾波器（LPF）。輸出信號(hào)波形的產(chǎn)生是相位逐漸累加的結(jié)果，這由加法器與相位寄存器共同實(shí)現(xiàn)，各個(gè)波形的抽樣值(二進(jìn)制編碼)存儲(chǔ)波形存儲(chǔ)器，波形存儲(chǔ)器的取樣地址是由N位加法器和N位相位寄存器在共同作用下輸出的，K值決定著從波形存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)的頻率，K值越大，那么相位的步進(jìn)就越快，輸出信號(hào)波形的頻率就越高，將這些抽樣值取出通過高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），就能實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的波形抽樣值到模擬量波形信號(hào)的輸出。低通濾波器（LPF）主要的作用是濾除輸出信號(hào)中不必要的抽樣分量。因?yàn)镈DS集成電路內(nèi)部主要采用了集成數(shù)字器件，它不容易受到外部干擾，只要輸入基準(zhǔn)時(shí)鐘穩(wěn)定，其輸出的信號(hào)頻率就穩(wěn)定。同時(shí)，它能輸出的頻率很高且易于控制。

圖2 DDS基本的工作結(jié)構(gòu)框圖

2.2 直流電壓表電路設(shè)計(jì)

直流電壓表用于測(cè)量電壓的ADC芯片不采用獨(dú)立的ADC芯片，而是采用單片機(jī)內(nèi)部集成的12位ADC，所以該直流電壓表外部電路較簡單。將STM32單片機(jī)的PA1口配置為單片機(jī)內(nèi)部ADC1的通道1，可實(shí)現(xiàn)對(duì)0～3.3V的直流電壓測(cè)量。為了不讓被測(cè)直流電壓信號(hào)輸入過大的電流燒壞單片機(jī)，所以在單片機(jī)的I/O口前連接了一個(gè)電阻，這個(gè)電阻R51在這個(gè)電路中主要起限制電流的作用。同時(shí)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，保證輸入信號(hào)在ADC輸入范圍內(nèi)。由于本系統(tǒng)要求測(cè)量的精度不高，所以內(nèi)部ADC電路的基準(zhǔn)電壓就用單片機(jī)電源電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)發(fā)生器程序模塊

如圖3所示為信號(hào)發(fā)生器程序模塊的流程圖。開始工作時(shí)，首先對(duì)相關(guān)參數(shù)變量進(jìn)行初始化配置，如定義該函數(shù)所需要用到的變量值，對(duì)顯示屏進(jìn)行清屏，以及初始化顯示相關(guān)波形的信息。不斷地檢測(cè)矩陣鍵盤的按鍵是否有按下，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，單片機(jī)計(jì)算對(duì)應(yīng)鍵值，并根據(jù)鍵值解碼為對(duì)應(yīng)的信號(hào)參數(shù)，如頻率值、幅值、波形類型等。單片機(jī)根據(jù)對(duì)應(yīng)參數(shù)對(duì)AD9833的寄存器進(jìn)行讀寫操作，改變輸出波形信號(hào)的參數(shù)，同時(shí)將相應(yīng)參數(shù)顯示在液晶屏。

圖3 信號(hào)發(fā)生器程序模塊的流程圖

3.2 電壓表程序模塊

如圖4所示為電壓表程序模塊流程圖，首先對(duì)ADC進(jìn)行相應(yīng)的初始化配置，如采樣率、采集通道等。啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換器，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，然后讀取ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并根據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系對(duì)結(jié)果進(jìn)行換算處理，得到輸入電壓值，將電壓值顯示在液晶顯示屏。

圖4 電壓表程序模塊流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 信號(hào)發(fā)生器頻率測(cè)試

為驗(yàn)證信號(hào)發(fā)生器相關(guān)指標(biāo)參數(shù)是否能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，對(duì)正弦、三角波、方波三種波形信號(hào)在100Hz至1MHz范圍內(nèi)的頻率進(jìn)行了測(cè)量，并通過標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行測(cè)試比對(duì)。標(biāo)準(zhǔn)儀器選擇Agilent的數(shù)字頻率計(jì)53220A。該儀器具有2個(gè)350 MHz輸入通道，12位/秒分辨率。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 信號(hào)發(fā)生器輸出頻率表

根據(jù)表1中的測(cè)量結(jié)果及相對(duì)誤差數(shù)據(jù)，可以看出本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中信號(hào)發(fā)生器的正弦波、三角波和方波三種波形信號(hào)輸出頻率的精度較高。信號(hào)波形無明顯失真，且幅值可通過按鍵模塊手動(dòng)調(diào)節(jié)。

4.2 直流電壓表測(cè)試

采用直流穩(wěn)壓電源輸出測(cè)試點(diǎn)電壓值，并通過電壓表功能模塊和標(biāo)準(zhǔn)儀器分別對(duì)測(cè)試點(diǎn)電壓值進(jìn)行測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)儀器采用Agilent六位半臺(tái)式萬用表34401A。測(cè)試數(shù)據(jù)及相對(duì)誤差如表2所示。

表2 直流電壓表電壓測(cè)量數(shù)據(jù)表

以臺(tái)式萬用表34401A測(cè)量值作為真值，通過對(duì)比表2中電壓表模塊與臺(tái)式萬用表所測(cè)的電壓值數(shù)據(jù)，電壓表模塊測(cè)量精度較高，在0.5V至3V范圍內(nèi)，相對(duì)誤差可達(dá)0.4%。

5 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要用于電子測(cè)量與儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各功能模塊，可以組建或開設(shè)設(shè)計(jì)性和綜合性的電子測(cè)量與儀器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、具有防電源反接、功能電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K齊全、數(shù)據(jù)顯示界面直觀易懂、信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)頻率設(shè)置方便、頻率計(jì)輸出范圍較寬以及輸出信號(hào)頻率精度高等。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠滿足電子測(cè)量與儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，并且為電子類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種有效的應(yīng)用方案。