东莞职业技术学院 高祖宇 陈俊超利泰五金制品(东莞)有限公司 卢晓智

0.前言

幅频特性在工程中具有十分重要的意义，能够直观地反映出电路中某一点电抗性元件在相应的频率范围内实际的响应状况。一般来说，常用于测绘电路幅频特性的装置为频谱仪。但是频谱仪测绘的信息不能够和其他设备共享，而且测绘的实时性较差，不利于电路系统的管理。因此，技术人员需要采用更加高效的方法进行幅频特性的测绘。本文将单片机STM32作为核心，进行远程幅频特性装置的设计。

1.基于STM32的远程幅频特性装置的系统结构

本文设计的装置是将单片机STM32作为控制核心进行幅频特性的远程测绘，该装置的网络带宽在1-40Hz范围内，并在0-40dB范围内实现连续可调，该装置主要有以下几个模块组成：

（1）DDS模块，该模块选用AD9959典型电路，因为该电路具备500MSPS的最大采样频率，能够进行200M的正弦波信号输出，其分辨率最高可达1Hz。

（2）可增益模块，该模块选用VCA821型号，具备分贝线性以及高带宽的放大器，VCA821的增益属于可控增益。如果将最大增益设置成十倍，则放大器的理论宽带最高可达320MHz。另外，VCA821增益电路的增益调节范围最高可达40dB。

（3）补偿放大电路模块，该模块选用电压反馈型OPA847作为放大电路，该电路具备高增益稳定以及较高的带宽，最高增益带宽积为3.9GHz。如果将放大倍数设置为20，则理论带宽最高为195MHz，而且OPA847的输入电压噪声仅有0.85Nv/rtHz。由此可以看出，该放大电路具备良好的放大性能以及前级匹配。

（4）有效值检波模块，该模块选用AD8307作为有效值检波芯片，能够在1-500M的范围内呈现出良好的线性关系。

（5）单电源运放模块，该模块主要分为两级，第一级采用型号为AD8367的压控增益放大器，该放大器为单电源模式，当放大倍数设置为100时，最高带宽为500M；第二级采用电流反馈型运放OPA695，该电路的压摆率高达4300V/μs，能够输出1Vrms。当增益倍数设为0时，最高带宽可达450MHz[1]。

2.基于STM32的远程幅频特性装置的模块设计

2.1 DDS模块的设计

DDS模块主要使用STM32单片机负责芯片的编程，实现AD9959的扫频功能与点频输出功能。与此同时，笔者还在AD9959电路中设置了5-1.8V以及5-3.3V的电压转换电路，为芯片的运行提供电力；设置了4个9阶的滤波器，避免电路受到高次谐波的不利影响。

2.2 放大器模块的设计

在该装置中，为了实现线路带宽和连续可调的功能，将放大器模块分为以下两个部分设计：

（1）可控增益电路。因为装置的连续可调范围为0-40dB，所以可增益电路的线性范围设定为-20-20dB，并采用10作为可控增益电路的放大倍数。因为直流控制电压的范围是0-2V，所以0V相对应的倍数是0.1；2V相对应的倍数是10。本文选用的可控增益电是VCA821，具备一定的低通幅频特性，所以不需要安装低通滤波器或者高通滤波器，只需要进行反馈电阻的大小调整，确保可控增益电路能够在40M的位置进行-3dB的衰减，就可以保障带宽的范围为1-40MHz。一般来说，反馈电阻值得大小既会对远程幅频特性装置的输入范围造成影响，还会对幅频特性造成影响。反馈电阻值越大，装置输入的动态范围就越大。

（2）高通电路。在进行高通电路的设计时，装置中应用了无源RC电路，并将电阻值设置为50Ω，但是电阻在进行阻抗匹配过程中，会出现差值损耗，需要通过补偿放大电路进行损耗的补偿，补偿放大倍数的倍数设定为20就能够满足装置的设计要求，即增益在0-40dB范围内。

2.3 有效值检波模块的设计

通过上述分析可知，装置在运行过程中，联级之间存在一定的差值损耗。而且在装置在被测网络中运行时，需要将信号幅度的变化状况实时呈现在示波器上，通过示波器具备的xy触发功能，将装置中的扫频信号变化转化成锯齿波，锯齿波可以和检波之后的信号相互叠加，这时电路就会进行有效值幅度的输出。从本质角度而言，这一过程就是功率值和直流电平输出之间的转换。一般来说，直流电平输出和功率值输入为线性关系，具体的关系公式如下：

其中，VY是指输出-输入曲线的斜率，VX是输出-输入曲线的截距。

2.4 单电源运放模块的设计

通过上述分析可知，本文设计的远程幅频特性装置采用的单电源芯片型号分别是AD8367以及OPA695。因为单电源的输出电压有效值需要达到1V，单电源提供的信号源幅度最高是100mV，所以单电源的整体增益是28。因此，本文将芯片AD8367的增益设置为最高，即：9倍；考虑到级间损耗，将芯片OPA695的增益设置为7倍。另外，芯片AD8367的输出具备双极性，所以在进行运放模块的第二级时，还需要保障电压的单极性。因此，笔者参考相关的电压设置标准，将芯片OPA695电路的电压设置成1.4V。也就是说，单电源运放模块的输出信号是将1.4V作为中心。

2.5 信号模块子系统的设计

对于远程幅频特性装置而言，信号源的频率信息以及输出信号都需要由双绞线进行接收，但是双绞线有且只有一条，所以本文应用加法器按照1：1的比例进行合成。当双绞线对两类信息采取合成操作之后，再通过双绞线进行传输。也就是说，这两种输出信号通过组合滤波实现无线传输。其中，芯片STM32主要应用串口数据传输方式和ATK-RM04进行通信。这一通信模块主要有AP、STA以及AP+STA这三种模式。本文选择STA模式开展工作。在STA模式工作的过程中，主要是与无线路由器进行连接，并将无线路由器看做是网关，对WIFI模块上的TCP数据包进行转发，将其转发到局域网内主机的端口位置。也就是说，笔记本电脑可以利用无线网卡和无线路由器进行连接，并获取相应的IP地址，通过指定的端口接收单片机传输的数据包。

2.6 π型网络的设计

在进行π型网络的设计时，不仅要考虑阻抗的变化以及阻抗的匹配，还需要考虑可调整幅度进行的变换。因为π型网络的输出需要稳定在200mV，可以将200mV作为基准进行电阻最值的计算，从而得出电位器的最佳取值。为了和同轴线的特征阻抗大小相匹配，π型网络的两端电阻设定为50Ω。通过上文分析可知，DDS模块的输出需要稳定在200mV，为了使输出维持在5-100mV，在最大分压比时1：2、最小分压比是1：40的情况下，得出电位器电阻的最大值是120Ω、最小值时13.8Ω。因此，本文设计的远程幅频特性装置的电位器选择电阻值为20kΩ规格的。

2.7 程序设计

在软件程序设计中，需要进行DDS模块的控制与A/D采样，并通过D/A进行幅频特性曲线的绘制。因此，笔者将输出频率可调与点频输出设置为两路，其中一路通过被测网络，另一路则产生锯齿波，用于示波器的显示，两路有效值检波共同组成直流电平输出，将其进行计算之后，即可得到增益，从而转变成相应的模拟量，进行绘图的输出[2]。

3.基于STM32的远程幅频特性装置的模拟测试

为了明确本文设计的远程幅频特性装置的性能，笔者在负载为600Ω下，对装置进行了如下测试：

第一，信号源性能测试，通过示波器显示的测试结果可以发现，该装置能够产生1-40M范围内的扫频信号，其中，DDS产生信号的幅度范围是5-100mV。

第二，被测网络带宽测试，在测试过程中，AD9959负责产生扫频信号，将π型网络的正弦信号设置为100mV，通过放大器放大之后进行带宽测试，测试的结果显示：被测网络的带宽在1.1-39.5M范围内，满足装置的标准要求。

第三，被测网络增益测试，在装置中输入10MHz且峰峰值范围为10mV-1V的正弦波信号，通过放大器将其放大之后，该正弦波信号的峰峰值能够达到1V，这就表明放大器的增益效益符合标准。

第四，幅频特性测试，将装置的各个模块依次连接，利用AD9959具备的扫频功能，对π型网络的进行正弦波信号设置，确保其输出峰峰值是10mV和200mV，通过示波器显示的测试结果可以发现，装置呈现出带通结构趋势，符合两个截止频率的要求。

第五，单电源放大器测试，使用信号源模块（即DDS模块以及π型网络）进行10MHz且峰峰值是100mV的正弦波信号输出，放大器的单电源进行+5V的供电，此时的输出电压是1V，且电压的波形不失真，表明装置的电源符合标准[3]。

4.结论

综上所述，传统的幅频特性测绘方式存在较多的不足，要求技术人员进行相应的改进。通过本文的分析可知，将单片机STM32作为核心，将DDS作为扫频信号源，应用有效值检波模块对幅频特性信息进行采集与传输，再通过双绞线以及无线网络将这一信息远程输送给笔记本电脑，大大提高了幅频特性信息的时效性，真正实现了信息的共享。本文的分析仍旧不够全面，仅供参考。

[1]方华.一种远程幅频特性测试装置的设计[J].科技创新导报,2017,14(28)：1-2.

[2]曾繁明,吴晓军,赵河明,韩广超.基于Padé近似法的零阶保持器幅频特性仿真[J].科学技术与工程,2017,17(16)：275-278.

[3]王海梅.一种单管共射放大电路的幅频特性研究[J].自动化与仪器仪表,2016(12)：5-7.