远程幅频特性测试装置的设计与实现

张见齐 王梓晗

摘  要 针对2017年全国电子设计竞赛描述的一种远程幅频特性测试装置的要求，提出一种实现方案，可用作电子信息类专业教学参考。系统由STM32作为主控;信号源采用DDS串接程控放大器，实现稳幅扫频输出;放大器采用衰减、低噪声放大、功率放大的三级工作模式，实现高增益、高动态范围的小信号放大;幅频特性测试模块频率信息、AD采集信息整合后完成幅频特性曲线的显示。

关键词 幅频特性;测试装置;电子设计竞赛;DDS;电子信息类专业

中图分类号：G652    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）04-0031-04

Abstract The 2017 national electronic design competition describes the requirements of a remote amplitude-frequency characteristic testing device， and this paper proposes an implementation scheme， which can be used as a reference for teaching of Electronic Infor-mation Majors. The system is controlled by STM32. Signal source adopts DDS connected program control amplifier to realize steady amplitude sweep frequency output. The amplifier adopts three-level working mode of attenuation， low noise amplification and power amplification to realize small signal amplification with high gain and high dynamic range. The amplitude frequency characteristic curve is displayed after the integration of frequency information and AD acquisition information of the amplitude frequency characteristic test module.

Key words amplitude frequency characteristic; testing device; elec-tronic design competition; DDS; electronic information majors

1 引言

隨着国家对电子信息类技术人才的专业知识与技能要求的普遍提高，全社会需要大批高素质创新型电子信息专业人才[1]。然而，传统的授课型教育培养的毕业生已经不能满足就业岗位的高期待、高要求，学生只会考试不会动手、缺乏合作能力、缺乏创新精神等现象暴露出当前培养模式中实验教学环节的问题。电子设计竞赛的设立较好地弥补了各高校在电子信息类专业教学实践中的不足[2]。电子竞赛采取“以赛促教”的模式，通过项目化、工程化模式，引导学生自主探究，提高参赛学生的动手能力、团队协作能力和创新、攻关精神，非常符合电子信息类专业本科教学改革的要求。本文通过一个全国大学生电子设计竞赛赛题的实现案例，来体现电子竞赛对本科教学实践的促进作用。

幅频特性是一个电路网络在某一频率范围内的幅度随频率变化的规律。在实际工程应用中，幅频特性是反映电路特性的重要信息，而传统的幅频特性的测试受到距离限制，不能满足幅频信息远距离、无线传输的要求。基于此情况，2017年全国大学生电子设计竞赛提出一种远程幅频特性的测试装置，对该装置划分呈如下模块并提出相应设计要求（全国大学生电子设计竞赛官方网站）。

1）信号源。输出频率范围1～40 MHz，频率步进1 MHz，幅度范围5～100 mV可调，且具有自动扫描功能。

2）待测放大器。要求输入阻抗600 Ω，带宽1～40 MHz，增益40 dB，要求在0～40 dB连续可调，在电源电压为+5 V且负载电阻为600 Ω时，输出电压有效值为1 V。

3）幅频特性测试装置。该装置能够实现有线、无线两种方式的传输：使用有线方式传输时，利用双绞线将信号源的频率信息与放大器的输出信号连接起来，由幅频特性测试装置完成对待测放大器的幅频特性测试，且能够在示波器上显示放大器的幅频特性曲线;使用无线方式传输时，使用Wi-Fi路由器自主搭建局域网，将信号源的频率信息、放大器的输出信号传入局域网，由网络内的电脑显示幅频特性。

2 系统方案

系统总框图  本系统由信号发生器、放大器、幅频特性测试与远程显示模块组成，系统总框图如图1所示。

信号发生器设计  考虑采用数字锁相环频率合成技术，但锁相环的工作周期本身是一个惰性环节，频率转换时间长，整个测试仪的反应速度就会很慢，而且带宽不高。因此考虑采用数字直接频率合成（DDS）技术[3]。AD9854是AD公司采用先进的DDS技术生产的具有高级集成度的DDS器件，它的最高工作时钟为300 MHz，正常输出工作频率范围为0～140 MHz，精度可达0.04 Hz，幅度精度可达12位。STM32单片机作为控制核心，控制AD9854芯片产生频率步进为1 MHz、范围为1～40 MHz、幅度恒为200 mV的点频、扫频正弦信号。

本系统要求实现5～100 mVpp的可调幅度输出，为使得输出信号噪声小、精确度高，采用VCA821实现对信号的衰减处理。VCA821是一款电压控制型可变增益放大器，采用单片机控制VCA821程控放大器，实现信号源5～100 mV的信号输出，并将信息通过串行口发送至后级。

放大器设计  若采用直接放大0～40 dB的模式，为了实现最高40 dB、40 MHz带宽的小信号放大，必须使用两级高增益、低噪声的程控集成运放芯片实现。但经计算发现，当前级增益过高时，会使得后级可调增益范围过大，无法达到对原信号0～40 dB可调的信号输出，此方案不可行。因此，采用程控衰减、固定增益放大、程控衰减、固定增益放大、功率放大的五級放大模式。第一级、第三级程控衰减均采HMC472芯片，实现0～-33 dB的信号衰减;第二级、第四级采用ERA-SM+系列芯片，分别实现33 dB、14 dB的低噪放大;最后一级采用两OPA2695芯片并联，最大可达56 dB且不失真。

幅频特性测试与远程显示模块设计  要实现频率特性的测试，需要由本振源、待测电路、信号幅度采集、数据处理与显示等四个模块构成。在本系统中，由信号源作为本振源，放大器作为待测电路，采用峰值检波模块，对放大器的输出信号进行对数检波并转换为直流电平，由STM32控制进行AD采集，将信号源发送的频率信息与幅度数据合并为一路。有线方式传输时，串口接收到有线信道传来的串口数据后，STM32控制DA将采集到的数据转换为波形向示波器发送，以显示幅频特性曲线;无线方式传输时，STM32将数据通过Wi-Fi[4]传输到局域网内的笔记本电脑，显示幅频特性曲线。

3 系统模块的分析与实现

信号发生器

1）DDS信号源。本系统通过STM32控制AD9854芯片，实现1 MHz频率的步进，输出1～40 MHz频率范围内的点频或扫频信号，同时控制写入幅度控制字，使其实现稳幅输出在200 mV。

信号源DDS输出电阻为50 Ω，VCA821输入用50 Ω电阻匹配，输出负载600 Ω。STM32提供的控制信号实现5～100 mV的可调输出。信号源模块框图如图2所示。

2）程控衰减模块。本系统采用VCA821对信号进行衰减处理。根据前级DDS产生的全频带200 mV峰峰值的输出，需要将信号衰减6～32 dB：放大器1）输入输出特性分析。为了实现5～100 mV、增益0～

40 dB可调且能达到1 Vrms，则放大器应当满足图3所示的输入输出曲线。当Vmax=1 Vrms，Gmax=40 dB +9 dB =49 dB。

当输入电压小于10 mVpp时，放大器需要输出0～Gmax的增益[5];当输入电压大于10 mVpp时，需要保证输出为1 Vrms，则其电压增益不再能达到49 dB，而是随着输入电压的增大而减小。

2）放大链路设计。由于系统最大增益需达到49 dB，一级放大电路难以实现，因此需要多级放大器级联;又根据放大器需要的输入输出特性可得，当输入电压过大时，适合小信号放大的放大器难以工作在线性区，因此采用预先程控衰减的模式，为后级放大器提供合适的输入幅度。采用低噪声程控放大器HMC472，实现0～-33 dB增益的程控衰减，随后跟一固定增益低噪声放大器。ERA-3SM+能够实现33 dB的固定增益放大，可实现对衰减的补偿至0 dB。

为了达到49 dB的链路总增益，以及40 dB的增益可调范围，还需进行一级衰减，再接一级HMC472以及固定增益放大，才可以达到40 dB的增益可调控制。放大器模块框图如图4所示。

3）功率放大电路。放大器在+5 V供电下需要达到1 Vrms的输出，普通的单级运放会因为输出接近电源电压而产生波形削顶失真。OPA2695内含并联的两级运放，能够提高输出电压的幅度。采用两级OPA2695并联，可以达到设计指标要求的输出电压，且提供9 dB的增益，使得系统的输出幅度、总增益留有一定的裕量。

经过计算，系统的总增益为33 dB+14 dB+9 dB=56 dB，总衰减为（-33 dB）+（-33 dB）=-66 dB，增益变化范围为Gmax=56 dB，Gmin=（56 dB-66 dB）=-10 dB。

幅频特性测试仪器

1）幅频特性测试。幅频特性定义为信号的幅度随频率变化的规律。要测试放大器的幅频特性，需要测试放大器在各个频点上的对应输出幅度。由于信号源的输出幅度即放大器的输入幅度需要保持恒定，可以保证输出幅度的变化规律就能反应放大器的幅频特性。只要将幅度—频率的对应值顺序显示在示波器上，即可得到幅频特性。

2）输出幅度测量。放大器输出通过峰值检波模块，将幅度信息转换为对应的直流电位，并由STM32控制AD进行数据采集。

3）远程幅频特性显示。系统采用UART串口通信方式，由信号源单片机产生频率信息，并通过串口将频率信息数据传给后级的信号传输与采集模块，该模块将频率信息与幅度信息的合并信息一同通过串口传送给后级进行显示。与后级进行有线信道传输时，使用衰减小、可靠性高的双绞线进行远距离传输;与后级进行无线信道传输时，使用Wi-Fi透传模式[6]，将串口发送的数据直接发送至局域网内路由器或PC端服务器，实现幅频特性显示。

4 测试方案与测试结果

测试仪器  测试仪器包括GWINSTEK MFG-2260 MFA函数信号发生器、GWINSTEK GDS-3504数字示波器。

测试方案、结果及分析

1）信号源。

①测试方法：分别产生1～40 MHz频率可调、输出幅度可调、可自动扫描的正弦波，使用示波器在测试点观察示波器示数。

②测试条件：600 Ω负载。

③测试结果：见表1。

④分析：各指标均能实现，波形无明显失真。

2）放大器总增益测试。

①测试方法：通过点频测量，输入20 MHz、10 mVpp的信号，在示波器上测其输出。

②测试结果与分析：输出电压可达到2.800 Vpp（有效值1 V）以上，波形无失真。测试数据见表2。

3）放大器增益范围测试

①测试方法：通过点频测量，输入20 MHz、10 mVpp的信号，调节放大器的增益，在示波器上测其输出。

②测试结果与分析：输出电压可达到0.010 Vpp、

2.850 Vpp，能够通过调节增益输出0～49 dB增益的信号，波形无失真。测试数据见表3。

4）放大器带宽测试。

①测试方法：通过点频测量，输入1 MHz、40 MHz相同幅度的信号，通过示波器测其输出。

②测试结果与分析：在输入幅度为100 mVpp时，输出电压在端点频率处分别为2.05 Vpp、2.55 Vpp。测试数据见表4。

5）远程幅频特性测试装置。首先断开信号源模块，用示波器标准信号源接放大器输入端逐频点测试放大器输出幅度，再接自制DDS信号源进行扫频测试，对比两者一致性。装置可以进行长达1.5米的远程有线传输，使半径1.5米以内的示波器可以远程测试;或者通过无线路由器，使同一个局域网的Windows PC进行测试结果的显示。

测试表明，示波器能够正确显示放大器的幅頻特性;进一步验证表明，当电路参数变化时，曲线会跟随其变化而变化。

5 结语

实测表明，本系统在信号源、放大器的各项性能上都可以达到甚至超过设计要求。信号源部分，其测试范围还具有可扩展性;实测表明，AD9854的可控稳定输出范围能达到100 MHz，通过数控方式修正控制字，即可让其实现稳幅输出，以用于更广范围的幅频特性测试。待测放大器部分，采用的五级放大模式能够实现高增益、低噪声的小信号放大，且在不同频率下放大倍数基本不变，性能高，为高带宽、高动态范围的低噪声放大提出一种良好的解决方案。在幅频特性测试方面，幅频信息能够通过各类信道进行信号传输，在示波器、PC端显示放大器的幅频特性。DDS的优良性能可以实现高扫频速度，保证幅频曲线的刷新时间小于1秒。综合对比示波器得到的幅频特性结果，本装置的频率测试范围更广，且精度更高。

参考文献

[1]马利，杨晓峰，牛斌.电子设计竞赛与实验教学融合模式的探索[J].实验科学与技术，2013，11（2）：141-143.

[2]刘电霆，周德俭，周娅，等.电子设计竞赛对电子信息类课程体系改革的促进[J].高教论坛，2007（5）：63-67.

[3]恽小华.现代频率合成技术综述[J].电子学报，1995（10）：148-151.

[4]阎石.数字电子技术基础[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[5]华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.

[6]李晓阳.WiFi技术及其应用与发展[J].信息技术，2012，36（2）：196-198.