便攜式信號(hào)發(fā)生裝置和便攜式信號(hào)檢測(cè)裝置組成的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在室外的儀器使用中，經(jīng)常會(huì)遇到機(jī)器需要檢修的問題，但是實(shí)驗(yàn)室常用的示波器和信號(hào)發(fā)生器由于電源、體積等問題不便攜帶，這時(shí)就需要采用簡(jiǎn)易、便于攜帶的測(cè)試儀器。設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式核心的由便攜式信號(hào)發(fā)生裝置和便攜式信號(hào)檢測(cè)裝置組成的系統(tǒng)。信號(hào)發(fā)生裝置采用DDS技術(shù)以51單片機(jī)控制其產(chǎn)生信號(hào)，信號(hào)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)輸入信號(hào)的檢測(cè)。信號(hào)發(fā)生與信號(hào)檢測(cè)裝置既可以組合使用也可以單獨(dú)使用。為室外儀器的檢修提供了一套便攜式的系統(tǒng)。

目前在很多領(lǐng)域內(nèi)需要電子儀器長(zhǎng)期在室外甚至許多惡劣的環(huán)境中進(jìn)行工作，雖然在儀器設(shè)計(jì)之初針對(duì)其所適用的不同環(huán)境，在硬件方面有很多針對(duì)性的設(shè)計(jì)，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(huì)時(shí)有發(fā)生，由于缺少示波器、信號(hào)發(fā)生器等常用的電子儀器檢測(cè)設(shè)備因而不便于對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，只能停止工作將其帶回有條件的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。如果有一套便攜式的信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)裝置，那么就可以在事故現(xiàn)場(chǎng)對(duì)儀器進(jìn)行第一時(shí)間的檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷其損壞情況以決定是否對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)修理還是將儀器帶回進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)。
針對(duì)上述需求本文設(shè)計(jì)了一種采用廣泛應(yīng)用的嵌入式技術(shù)的便攜式信號(hào)發(fā)生與測(cè)量裝置，考慮到二者使用的不同情況，對(duì)信號(hào)發(fā)生和信號(hào)測(cè)量裝置采用了獨(dú)立的設(shè)計(jì)，在使用時(shí)既可以單獨(dú)使用也可以組合使用，信號(hào)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(hào)，信號(hào)測(cè)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(hào)調(diào)制、整形電路、數(shù)模電路及顯示電路實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)參數(shù)包峰峰值、有效值、頻率等的檢測(cè)。

1 便攜式信號(hào)發(fā)生裝置
在本次設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生裝置中，使用了先進(jìn)的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(Direct Digital Synthesis，DDS)作為信號(hào)發(fā)生器的核心產(chǎn)生任意的波形信號(hào)。信號(hào)發(fā)生裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如下：由鍵盤控制單片機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)波形、頻率、相位、幅度等的控制信號(hào)，其中波形、頻率和相位控制字進(jìn)入AD9851模塊中，AD9851根據(jù)相對(duì)的控制信號(hào)在其波形庫(kù)中選擇相應(yīng)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(jī)依據(jù)峰峰檢測(cè)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(duì)信號(hào)進(jìn)行放大功率放大得到最終的信號(hào)輸出。
在整個(gè)信號(hào)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(jī)AT89S51組成的信號(hào)發(fā)生裝置相對(duì)于傳統(tǒng)的鎖相式頻率合成器、純模擬電路搭建的信號(hào)發(fā)生器以及由單片機(jī)與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成的信號(hào)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(hào)，需要在AD9851模塊后設(shè)計(jì)低通濾波電路。在濾波電路的設(shè)計(jì)中有兩種設(shè)計(jì)方案，一種是由運(yùn)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(hào)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(yùn)放放大器的帶寬限制在高頻領(lǐng)域內(nèi)大都會(huì)采用LC濾波電路，相對(duì)而言LC
濾波電路設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)計(jì)算較難且不易調(diào)試。在設(shè)計(jì)時(shí)采用了LC電路的輔助設(shè)計(jì)軟件FiLTEr Solutions 10．0幫助設(shè)計(jì)，節(jié)省了設(shè)計(jì)的時(shí)間和工作量。

2 便攜式信號(hào)檢測(cè)裝置
信號(hào)測(cè)量裝置實(shí)質(zhì)上可以看成是示波器的功能簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)，雖然其功能上無法與實(shí)驗(yàn)室示波器相提并論，但是仍然具備示波器基本的在測(cè)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(hào)檢測(cè)工作電路如圖2所示。被測(cè)信號(hào)通過探頭進(jìn)入檢測(cè)裝置，為保證系統(tǒng)具有較寬的測(cè)量范圍，所以首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)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(hào)能力最大限度不失真信號(hào)，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(jì)過程與信號(hào)發(fā)生裝置類似。信號(hào)由此分為兩路，一路進(jìn)入程控放大器，使信號(hào)在進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換電路前對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，使信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)被STM32處理器采樣。另外一路則進(jìn)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(hào)，進(jìn)入STM32處理器，以方便STM32內(nèi)部計(jì)數(shù)器工作，計(jì)算信號(hào)的頻率。以下是主要電路模塊介紹：

在模擬信號(hào)檢測(cè)尤其是針對(duì)小信號(hào)甚至微弱信號(hào)的檢測(cè)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(cè)信號(hào)的幅度很小以至于不能被A／D轉(zhuǎn)換器所識(shí)別，就需要先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理再輸入A／D轉(zhuǎn)換模塊采樣，但是被測(cè)信號(hào)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(cè)的信號(hào)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(shù)也必須是可變的，以適應(yīng)不同被測(cè)信號(hào)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(jì)中選擇了PGA207和PGA206四片組合的設(shè)計(jì)方案，其理論放大倍數(shù)最高可達(dá)6 400倍。

A／D轉(zhuǎn)換電路(見圖4)主要由LT6350和LTC2393-16兩個(gè)芯片組成，其中LTC2393-16為A／D轉(zhuǎn)換芯片而LT6350為L(zhǎng)TC2393-16的驅(qū)動(dòng)芯片，經(jīng)過程控放大器的單端正弦波信號(hào)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(cè)的正弦波信號(hào)經(jīng)過比較器與地比較，產(chǎn)生方波信號(hào)進(jìn)入處理器，處理器對(duì)輸入的方波信號(hào)上升沿或下降沿計(jì)數(shù)以達(dá)到實(shí)現(xiàn)頻率檢測(cè)的目的。如圖5所示。

3 結(jié)語

信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)，均采用C語言為設(shè)計(jì)語言完成全部的控制與算法設(shè)計(jì)。以AD9851和AT89S51為核心的信號(hào)發(fā)生裝置與以STM32為核心的信號(hào)檢測(cè)裝置不但減少了復(fù)雜模擬電路的數(shù)值計(jì)算，同時(shí)在性能與功能上也不遜色于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過測(cè)試信號(hào)發(fā)生和信號(hào)檢測(cè)裝置基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)(信號(hào)發(fā)生器輸出與信號(hào)檢測(cè)裝置范圍幅度：1 mV～10 V頻率；0Hz～30 MHz)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)包括正弦波、方波、三角波等信號(hào)的發(fā)生與檢測(cè)。同時(shí)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(hào)的波形、幅度等信息，并且信號(hào)檢測(cè)裝置依靠其內(nèi)置芯片STM32的各種算法處理能夠?qū)崟r(shí)地顯示當(dāng)前被測(cè)信號(hào)原始波形，兩者均采用觸屏操作都具有良好的人機(jī)界面。