便攜式信號發(fā)生與檢測裝置的設(shè)計

摘要：在室外的儀器使用中，經(jīng)常會遇到機器需要檢修的問題，但是實驗室常用的示波器和信號發(fā)生器由于電源、體積等問題不便攜帶，這時就需要采用簡易、便于攜帶的測試儀器。設(shè)計了一套基于嵌入式核心的由便攜式信號發(fā)生裝置和便攜式信號檢測裝置組成的系統(tǒng)。信號發(fā)生裝置采用DDS技術(shù)以51單片機控制其產(chǎn)生信號，信號檢測裝置以基于Cortex-M3核心的STM32處理器為基礎(chǔ)，配以必要的輔助電路從而實現(xiàn)對實時輸入信號的檢測。信號發(fā)生與信號檢測裝置既可以組合使用也可以單獨使用。為室外儀器的檢修提供了一套便攜式的系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：嵌入式；DDS技術(shù)；51單片機；便攜式

0 引言
    目前在很多領(lǐng)域內(nèi)需要電子儀器長期在室外甚至許多惡劣的環(huán)境中進行工作，雖然在儀器設(shè)計之初針對其所適用的不同環(huán)境，在硬件方面有很多針對性的設(shè)計，盡管如此在室外環(huán)境中因自然或人為因素造成的儀器損壞的事件也會時有發(fā)生，由于缺少示波器、信號發(fā)生器等常用的電子儀器檢測設(shè)備因而不便于對其進行實時的檢測，只能停止工作將其帶回有條件的實驗室進行檢測。如果有一套便攜式的信號發(fā)生與檢測裝置，那么就可以在事故現(xiàn)場對儀器進行第一時間的檢測，根據(jù)檢測結(jié)果判斷其損壞情況以決定是否對其現(xiàn)場修理還是將儀器帶回進行進一步的檢測。
    針對上述需求本文設(shè)計了一種采用廣泛應(yīng)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(shè)計，在使用時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DDS芯片AD9851產(chǎn)生任意可調(diào)的函數(shù)信號，信號測量裝置則以時下流行的STM32F106ZE核心控制，配以必要的模擬信號調(diào)制、整形電路、數(shù)模電路及顯示電路實現(xiàn)對模擬信號參數(shù)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(shè)計的信號發(fā)生裝置中，使用了先進的直接數(shù)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(tǒng)框圖如圖1所示，整個系統(tǒng)的工作流程如下：由鍵盤控制單片機產(chǎn)生相應(yīng)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入AD9851模塊中，AD9851根據(jù)相對的控制信號在其波形庫中選擇相應(yīng)的波形和相位以及頻率。而幅度控制字則進入程控放大電路，單片機依據(jù)峰峰檢測與A／D轉(zhuǎn)換的輸出電壓幅度，調(diào)整控制程控放大器的放大倍數(shù)。最后經(jīng)功率放大電路對信號進行放大功率放大得到最終的信號輸出。
    在整個信號發(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(tǒng)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(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成的信號發(fā)生器相比，其優(yōu)點在于可產(chǎn)生任意的波形、軟硬件設(shè)計簡單、功耗低、方便調(diào)試且輸出頻率穩(wěn)定。

    值得注意的是AD9851芯片內(nèi)部并不具備低通濾波器，為了得到較純凈的信號，需要在AD9851模塊后設(shè)計低通濾波電路。在濾波電路的設(shè)計中有兩種設(shè)計方案，一種是由運算放大器構(gòu)成有源濾波器，另一種是由電感、電容組成的無源濾波器。由于AD9851輸出的信號頻率最大穩(wěn)定值是70 MHz，所以濾波器的截止頻率應(yīng)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(nèi)大都會采用LC濾波電路，相對而言LC
濾波電路設(shè)計時參數(shù)計算較難且不易調(diào)試。在設(shè)計時采用了LC電路的輔助設(shè)計軟件Filter Solutions 10．0幫助設(shè)計，節(jié)省了設(shè)計的時間和工作量。

2 便攜式信號檢測裝置
    信號測量裝置實質(zhì)上可以看成是示波器的功能簡單化設(shè)計，雖然其功能上無法與實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(tǒng)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。被測信號通過探頭進入檢測裝置，為保證系統(tǒng)具有較寬的測量范圍，所以首先要對信號進行固定倍數(shù)的衰減處理，后經(jīng)阻抗匹配使系統(tǒng)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(shè)計過程與信號發(fā)生裝置類似。信號由此分為兩路，一路進入程控放大器，使信號在進入A／D轉(zhuǎn)換電路前對信號進行放大處理，使信號在A／D轉(zhuǎn)換電路的最佳輸入范圍內(nèi)，最大限度的降低A／D轉(zhuǎn)換電路的滿量程等誤差，通過A／D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號被STM32處理器采樣。另外一路則進入波形轉(zhuǎn)換電路，其作用是將正弦波等轉(zhuǎn)換為規(guī)則的方波信號，進入STM32處理器，以方便STM32內(nèi)部計數(shù)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，程控放大器起著重要的作用，由于A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度有所限制，當(dāng)被測信號的幅度很小以至于不能被A／D轉(zhuǎn)換器所識別，就需要先對信號進行放大處理再輸入A／D轉(zhuǎn)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(tǒng)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，那么進入A／D的電壓范圍為5 mV～4 V，有一定的動態(tài)范圍，所需放大器的放大倍數(shù)也必須是可變的，以適應(yīng)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(shè)計中選擇了PGA207和PGA206四片組合的設(shè)計方案，其理論放大倍數(shù)最高可達6 400倍。

    A／D轉(zhuǎn)換電路(見圖4)主要由LT6350和LTC2393-16兩個芯片組成，其中LTC2393-16為A／D轉(zhuǎn)換芯片而LT6350為LTC2393-16的驅(qū)動芯片，經(jīng)過程控放大器的單端正弦波信號通過轉(zhuǎn)接口接入LT6350的輸入端。

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

3 結(jié)語
    信號發(fā)生與檢測裝置的軟件設(shè)計，均采用C語言為設(shè)計語言完成全部的控制與算法設(shè)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(fù)雜模擬電路的數(shù)值計算，同時在性能與功能上也不遜色于傳統(tǒng)的設(shè)計方案。經(jīng)過測試信號發(fā)生和信號檢測裝置基本達到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)(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)，實現(xiàn)了對包括正弦波、方波、三角波等信號的發(fā)生與檢測。同時在兩者各自的液晶顯示屏上能夠顯示當(dāng)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(nèi)置芯片STM32的各種算法處理能夠?qū)崟r地顯示當(dāng)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。