基于嵌入式的便攜式信號發(fā)生及檢測裝置系統研究

針對上述需求本文設計了一種采用廣泛應用的嵌入式技術(shù)的便攜式信號發(fā)生與測量裝置，考慮到二者使用的不同情況，對信號發(fā)生和信號測量裝置采用了獨立的設計，在使用時(shí)既可以單獨使用也可以組合使用，信號發(fā)生裝置以AT89S51為核心通過(guò)DDS芯片AD9851產(chǎn)生任意可調的函數信號，信號測量裝置則以時(shí)下流行的STM32F106ZE核心控制，配以必要的模擬信號調制、整形電路、數模電路及顯示電路實(shí)現對模擬信號參數包峰峰值、有效值、頻率等的檢測。

1 便攜式信號發(fā)生裝置

在本次設計的信號發(fā)生裝置中，使用了先進(jìn)的直接數字頻率合成技術(shù)(Direct Digital Synthesis，DDS)作為信號發(fā)生器的核心產(chǎn)生任意的波形信號。信號發(fā)生裝置系統框圖如圖1所示，整個(gè)系統的工作流程如下：由鍵盤(pán)控制單片機產(chǎn)生相應波形、頻率、相位、幅度等的控制信號，其中波形、頻率和相位控制字進(jìn)入AD9851模塊中，AD9851根據相對的控制信號在其波形庫中選擇相應的波形和相位以及頻率。而幅度控制字則進(jìn)入程控放大電路，單片機依據峰峰檢測與A／D轉換的輸出電壓幅度，調整控制程控放大器的放大倍數。最后經(jīng)功率放大電路對信號進(jìn)行放大功率放大得到最終的信號輸出。

在整個(gè)信號發(fā)生裝置中，其核心的模塊是由AD9851芯片組成的DDS模塊，其于單片機AT89S51組成的信號發(fā)生裝置相對于傳統的鎖相式頻率合成器、純模擬電路搭建的信號發(fā)生器以及由單片機與模數轉換模塊組成的信號發(fā)生器相比，其優(yōu)點(diǎn)在于可產(chǎn)生任意的波形、軟硬件設計簡(jiǎn)單、功耗低、方便調試且輸出頻率穩定。

值得注意的是AD9851芯片內部并不具備低通濾波器，為了得到較純凈的信號，需要在A(yíng)D9851模塊后設計低通濾波電路。在濾波電路的設計中有兩種設計方案，一種是由運算放大器構成有源濾波器，另一種是由電感、電容組成的無(wú)源濾波器。由于A(yíng)D9851輸出的信號頻率最大穩定值是70 MHz，所以濾波器的截止頻率應在70 MHz以上，那么由于運放放大器的帶寬限制在高頻領(lǐng)域內大都會(huì )采用LC濾波電路，相對而言L(fǎng)C濾波電路設計時(shí)參數計算較難且不易調試。在設計時(shí)采用了LC電路的輔助設計軟件Filter Solutions 10．0幫助設計，節省了設計的時(shí)間和工作量。

2 便攜式信號檢測裝置

信號測量裝置實(shí)質(zhì)上可以看成是示波器的功能簡(jiǎn)單化設計，雖然其功能上無(wú)法與實(shí)驗室示波器相提并論，但是仍然具備示波器基本的在測量中常用的功能，如波形顯示、頻率值、幅度值等。系統采用的是目前流行的STM32核心處理器。

信號檢測工作電路如圖2所示。被測信號通過(guò)探頭進(jìn)入檢測裝置，為保證系統具有較寬的測量范圍，所以首先要對信號進(jìn)行固定倍數的衰減處理，后經(jīng)阻抗匹配使系統具有良好的吸入信號能力最大限度不失真信號，然后是濾波電路，這里采用的是由LC組成的低通濾波電路其設計過(guò)程與信號發(fā)生裝置類(lèi)似。信號由此分為兩路，一路進(jìn)入程控放大器，使信號在進(jìn)入A／D轉換電路前對信號進(jìn)行放大處理，使信號在A(yíng)／D轉換電路的最佳輸入范圍內，最大限度的降低A／D轉換電路的滿(mǎn)量程等誤差，通過(guò)A／D轉換電路將模擬信號轉為數字信號被STM32處理器采樣。另外一路則進(jìn)入波形轉換電路，其作用是將正弦波等轉換為規則的方波信號，進(jìn)入STM32處理器，以方便STM32內部計數器工作，計算信號的頻率。以下是主要電路模塊介紹：

在模擬信號檢測尤其是針對小信號甚至微弱信號的檢測方面，程控放大器起著(zhù)重要的作用，由于A(yíng)／D轉換器的轉換精度有所限制，當被測信號的幅度很小以至于不能被A／D轉換器所識別，就需要先對信號進(jìn)行放大處理再輸入A／D轉換模塊采樣，但是被測信號的幅度有一定的變化范圍。以本系統為例，其正常能夠檢測的信號幅度在10 mV～8 V之間，考慮到在前端還要經(jīng)歷2倍的衰減，那么進(jìn)入A／D的電壓范圍為5 mV～4 V，有一定的動(dòng)態(tài)范圍，所需放大器的放大倍數也必須是可變的，以適應不同被測信號頻率，這里就要使用程控放大器，程控放大電路如圖3所示。本次設計中選擇了PGA207和PGA206四片組合的設計方案，其理論放大倍數最高可達6 400倍。

A／D轉換電路(見(jiàn)圖4)主要由LT6350和LTC2393-16兩個(gè)芯片組成，其中LTC2393-16為A／D轉換芯片而LT6350為L(cháng)TC2393-16的驅動(dòng)芯片，經(jīng)過(guò)程控放大器的單端正弦波信號通過(guò)轉接口接入LT6350的輸入端。

整形電路也可以理解為波形轉換電路，其主要作用是將被測的正弦波信號經(jīng)過(guò)比較器與地比較，產(chǎn)生方波信號進(jìn)入處理器，處理器對輸入的方波信號上升沿或下降沿計數以達到實(shí)現頻率檢測的目的。如圖5所示。

信號發(fā)生與檢測裝置的軟件設計，均采用C語(yǔ)言為設計語(yǔ)言完成全部的控制與算法設計。以AD9851和AT89S51為核心的信號發(fā)生裝置與以STM32為核心的信號檢測裝置不但減少了復雜模擬電路的數值計算，同時(shí)在性能與功能上也不遜色于傳統的設計方案。經(jīng)過(guò)測試信號發(fā)生和信號檢測裝置基本達到了預期的設計目標(信號發(fā)生器輸出與信號檢測裝置范圍幅度：1 mV～10 V頻率；0 Hz～30 MHz)，實(shí)現了對包括正弦波、方波、三角波等信號的發(fā)生與檢測。同時(shí)在兩者各自的液晶顯示屏上能夠顯示當前輸出／輸入信號的波形、幅度等信息，并且信號檢測裝置依靠其內置芯片STM32的各種算法處理能夠實(shí)時(shí)地顯示當前被測信號原始波形，兩者均采用觸屏操作都具有良好的人機界面。