便攜式信號發生與檢測裝置的設計

　　摘要：在室外的儀器使用中，經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。設計了一套基于嵌入式核心的由便攜式信號發生裝置和便攜式信號檢測裝置組成的系統。信號發生裝置采用DDS技術以51單片機控制其產生信號，信號檢測裝置以基于Cortex-M3核心的STM32處理器為基礎，配以必要的輔助電路從而實現對實時輸入信號的檢測。信號發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。
　　
　　關鍵詞：嵌入式；DDS技術；51單片機；便攜式
　　
　　引言
　　
　　目前在很多領域內需要電子儀器長期在室外甚至許多惡劣的環境中進行工作，雖然在儀器設計之初針對其所適用的不同環境，在硬件方面有很多針對性的設計，盡管如此在室外環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生，由于缺少示波器、信號發生器等常用的電子儀器檢測設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生與檢測裝置，那么就可以在事故現場對儀器進行*時間的檢測，根據檢測結果判斷其損壞情況以決定是否對其現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計了一種采用廣泛應用的嵌入式技術的便攜式信號發生與測量裝置，考慮到二者使用的不同情況，對信號發生和信號測量裝置采用了獨立的設計，在使用時既可以單獨使用也可以組合使用，信號發生裝置以AT89S51為核心通過DDS芯片AD9851產生任意可調的函數信號，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制、整形電路、數模電路及顯示電路實現對模擬信號參數包峰峰值、有效值、頻率等的檢測。
　　
　　1、便攜式信號發生裝置
　　
　　在本次設計的信號發生裝置中，使用了*的直接數字頻率合成技術（Direct Digital Synthesis，DDS）作為信號發生器的核心產生任意的波形信號。信號發生裝置系統框圖如圖1所示，整個系統的工作流程如下：由鍵盤控制單片機產生相應波形、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。zui后經功率放大電路對信號進行放大功率放大得到zui終的信號輸出。
　　
　　在整個信號發生裝置中，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生器以及由單片機與模數轉換模塊組成的信號發生器相比，其優點在于可產生任意的波形、軟硬件設計簡單、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AD9851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、電容組成的無源濾波器。由于AD9851輸出的信號頻率zui大穩定值是70MHz，所以濾波器的截止頻率應在70MHz以上，那么由于運放放大器的帶寬限制在高頻領域內大都會采用LC濾波電路，相對而言LC
　　
　　濾波電路設計時參數計算較難且不易調試。在設計時采用了LC電路的輔助設計軟件Filter Solutions10．0幫助設計，節省了設計的時間和工作量。
　　
　　2、便攜式信號檢測裝置
　　
　　信號測量裝置實質上可以看成是示波器的功能簡單化設計，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，為保證系統具有較寬的測量范圍，所以首先要對信號進行固定倍數的衰減處理，后經阻抗匹配使系統具有良好的吸入信號能力zui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程與信號發生裝置類似。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轉換電路前對信號進行放大處理，使信號在A／D轉換電路的*輸入范圍內，zui大限度的降低A／D轉換電路的滿量程等誤差，通過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，程控放大器起著重要的作用，由于A／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10mV～8V之間，考慮到在前端還要經歷2倍的衰減，那么進入A／D的電壓范圍為5mV～4V，有一定的動態范圍，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zui高可達6400倍。　　
　　A／D轉換電路（見圖4）主要由LT6350和LTC2393-16兩個芯片組成，其中LTC2393-16為A／D轉換芯片而LT6350為LTC2393-16的驅動芯片，經過程控放大器的單端正弦波信號通過轉接口接入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過比較器與地比較，產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以達到實現頻率檢測的目的。如圖5所示。　　
　　3、結語
　　
　　信號發生與檢測裝置的軟件設計，均采用C語言為設計語言完成全部的控制與算法設計。以AD9851和AT89S51為核心的信號發生裝置與以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，同時在性能與功能上也不遜色于傳統的設計方案。經過測試信號發生和信號檢測裝置基本達到了預期的設計目標（信號發生器輸出與信號檢測裝置范圍幅度：1mV～10V頻率；0Hz～30MHz），實現了對包括正弦波、方波、三角波等信號的發生與檢測。同時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時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。