本幅頻特性測試裝置采用STM32F407MCU為主控芯片，并通過集成式DDS頻率合成模塊與程控衰減器實現幅度可調與具有掃頻功能的信號源。通過級聯高性能可變增益放大器AD8367，從外部施加0至1V的模擬增益控制電壓，實現頻帶內0-40dB增益連續可調。采用高速對數檢波模塊進行信號幅度檢測，并結合MCU產生的脈沖觸發信號可在示波器上顯示幅頻特性曲線。通過主機MCU對檢波結果進行AD采樣，并將數據通過單條雙絞線與從機MCU通信，并通過從機DA轉換在示波器上間接輸出顯示幅頻特性曲線。
一．方案論證 ４
１．１ 方案比較與選擇 ４
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二．理論分析與計算 ５
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�。玻病》糯笃� ６
２．３ 對數檢波與幅頻特性曲線顯示 ６
三．電路與程序設計 6
�。常�1 電路設計 6
�。常�2 程序設計 ７
四．測試方案與測試結果 8
五．結論 9
一.系統方案 1.方案比較與選擇 1）信號源 方案一：使用鎖相環集成電路。
使用鑒相器和VCO集成芯片搭建鎖相環頻率合成模塊，但整體系統復雜，調試困難，若設置不當會導致鎖定時間慢、信號質量較差。 方案二：使用集成式直接頻率合成芯片AD9959。
該直接頻率合成芯片的輸出頻率范圍在0.12Hz-250MHz之間，完全滿足題目要求的1MHz-40MHz范圍。此外，該芯片具有靈活的程序控制功能，能借助MCU輕松實現本題中可調點頻輸出與掃頻的功能要求。 綜合以上兩種方案，方案二使用簡單且性能優異，故選擇方案二。
2）放大器 方案一：可調多級放大器。由多級運算放大器進行同相或反相放大組成，通過滑動變阻器改變反饋電阻達到0-40 dB連續可調,該方案實現簡單，但電路中含有多個滑動變阻器而導致電路冗余，不便調節。 方案二：程控衰減器 + 固定增益放大器。采用程控衰減器和固定增益放大器組合。雖然該方案控制靈活，噪聲系數小，但增益通過步進調整而非連續可調，不滿足題目要求。 方案三：級聯電壓控制增益放大器。選用具有45 dB增益可調的可控增益放大器AD8367級聯，通過外加控制電壓的連續變化實現增益連續可調，電路原理簡單，且控制靈活，滿足題目要求。 方案四：寬帶射頻放大器+PIN衰減器。采用寬帶射頻放大器和PIN二極管衰減器組合的結構能夠滿足頻響差與動態范圍的綜合指標。但電路較為復雜，調試難度較高。 綜上可知，方案三電路原理簡單，滿足題目要求且易于調試，故選擇方案三。
3）檢波電路 方案一：包絡峰值檢波器。二極管包絡檢波電路的原理較為簡單，易于搭建，但是電路溫度穩定性能很差，檢測精度不高。 方案二：集成式對數檢波器。使用集成式對數放大器AD8310搭建對數建波模塊。其響應速度快，并可提供較寬的動態范圍和良好的溫度穩定性能。 綜上可知，方案二與方案一相比具有更好的線性度、更寬的動態范圍和更強的溫度穩定性，故選用方案二。
4）顯示與控制 方案一：STM32方案 采用STM32F407ZGT6 + TFT LCD + ZLG7290驅動矩陣鍵盤。STM32F407主頻達到168MHz，且有豐富的硬件外設，具有出色的運算性能及較高效的液晶屏驅動能力。ZLG7290矩陣鍵盤驅動芯片采用I2C協議，可節省用單片機自身進行按鍵掃描所造成的CPU時間與IO口資源的占用。
方案二：51單片機方案 采用STC89C52 + 12864點陣液晶屏。該方案實現簡單，但C51內核的單片機年代久遠，性能較低，可用外設接口缺乏，難以滿足本題需求。 綜合以上兩種方案，方案一性能優越，硬件外設資源豐富，人機交互效果更好，故選用方案一。 2．方案描述 根據以上的方案比較與選擇，本系統最終系統框圖如圖1所示：  圖1 系統框圖 二.理論分析與計算 1.信號源 信號源模塊采用AD9959 集成式DDS芯片實現。AD9959是一款高性能直接數字頻率合成器，其頻率寄存器達到32位，能提供較高的頻率精度。 其輸出頻率的計算公式如下：
 (1)
其中，  為系統時鐘，由外部晶振輸入經內部倍頻為500MHz。 FTW為頻率控制字，取值范圍為0 ~ 231 。若從設定頻率計算出頻率控制字，可通過乘上系數 232 / 500M = 8.589934592獲得。通過向DDS的頻率寄存器寫入控制字即可實時改變其輸出頻率，從而實現頻率可調與掃頻功能。 2.放大器 放大器模塊通過級聯兩個高性能可變增益放大器AD8367。單個AD8367具有45dB的線性可變增益范圍，級聯后將具有90dB的增益范圍，即使考慮衰減也可以完全滿足題目要求。AD8367用作壓控增益放大器時，設增益為  ，控制電壓為  則增益的計算公式如公式（2）所示。
 (2)
當外部施加0至1V范圍的模擬增益控制電壓時，即可滿足題目0-40 dB連續可調增益的要求。 3. 對數檢波與幅頻特性曲線顯示 使用AD8310對數放大器進行對數檢波，其輸出電平與信號幅度的關系為：
 ) (3)
其中，其中  是輸出電平，  是斜率電壓，  是輸入電壓，  是截止電壓。根據器件特性與電路設計， 為 25mV , 為 -108dBV。只要通過信號源在輸出幅度一定的前提下進行快速線性掃頻，對數檢波輸出電平的快速變化即可反映為幅頻特性曲線。由于示波器依賴捕獲功能來顯示波形，只要在掃頻開始時生成一個脈沖信號觸發示波器開始捕獲，在下一次掃頻開始時重復上述操作，便能截取出一個掃頻周期內穩定的幅頻特性曲線。顯示效果見附圖4。
三．電路與程序設計 1.電路設計 1）壓控增益放大器 為了實現0-40dB增益連續可調，將兩級可變增益放大器AD8367都搭建為壓控增益電路。由于該芯片內部輸入阻抗為200Ω，為滿足題目指標，需要在第一級輸入端串聯一個400Ω的電阻。通過電阻分壓網絡與可調電位器為兩級AD8367同時提供0-1V的增益控制電壓。為了使放大器在1MHz–40MHz穩定工作，需要在其高通腳串聯一個3.3pF的外部電容以改善其性能電路。 電路原理圖見附圖1。 3）對數檢波 為了轉換正弦信號的幅度信息為直流電平，使用AD8310對數放大器搭建對數檢波電路。為使芯片在1MHz -40MHz有良好的檢波效果，需要在芯片的OFLT引腳連接一個0.1uF左右的電容到地，并在輸出端設置一個低通RC濾波器。 電路原理圖見附圖2 2.程序設計 以一塊STM32F407作為本系統主控芯片，其負責人機交互、DDS控制、程控衰減控制、觸發脈沖生成、AD采樣。通過一根1.5m長的雙絞線與另一塊STM32F407從機MCU連接，進行采樣數據的數字化實時發送。從機MCU通過串口IDLE中斷與DMA方式高速接收數據，并通過其內置DAC還原出模擬電平，從而在示波器上顯示出幅頻特性曲線。 人機交互部分通過ZLG7290驅動的矩陣鍵盤與TFT LCD液晶實現，可直觀地顯示系統當前的工作狀態與參數，并提供用戶控制反饋。 1）信號源控制界面 在本界面中實現了點頻輸出模式和掃頻輸出模式切換以及幅頻特性曲線的顯示。在點頻輸出模式下，實現了步進為1MHz的輸出頻率1~40MHz可調，并且可以控制程控衰減器實現0.5dB ~ 31.5dB的可調衰減。在掃頻輸出模式下，程序默認以0.5MHz的步進進行0.5 – 50 MHz的快速掃頻，并且在每一個頻點對對數檢波結果做一次AD采樣，并繪制在屏幕上實時出繪制幅頻特性曲線，且帶有直觀的坐標網格與單位顯示。兩界面的程序流程圖分別如圖3(a) 與 3(b)所示。 顯示效果見附圖3。
圖2(a) 圖2(b)
圖2 信號源控制界面流程圖
2）主從通信與幅頻特性曲線的還原 主機掃頻過程中同步對檢波結果電平進行AD轉換，將采集結果存入緩沖區。單次掃頻結束后，通過UART異步串口協議將緩沖區數據向從機全部發送。從機通過一條雙絞線接入串口接受信號，并且使用了與主機相同的波特率與緩沖區大小，以保證數據同步。當緩沖區滿，接收數據完成，會觸發串口空閑中斷，此時即可通過內置DAC將結果還原為電平輸出給示波器，同時在DA轉換開始的同時發送一個觸發脈沖給示波器的另一通道，以幫助示波器完成對曲線的捕獲。 圖3 從機MCU程序流程圖
四．測試方案與測試結果 使用儀器： DG4162 信號源/頻率計 1臺 DS2072 示波器 1臺 DSA815 頻譜儀 1臺 測試項目： 詳細測試方案請見附錄。測試結果如表1、表2。
表1 基本要求測試結果
表2 發揮部分測試結果 | | | | | | | | | | | | | | | | 通過一條雙絞線 連接從機，由從機完成幅頻特性信息輸出 | 能夠正常進行主從通信，從機在示波器上顯示幅頻特性曲線 | | | | | | | |
5.結論 利用DDS與程控衰減器實現靈活可控的信號源，可手動輸出頻率和幅度可調的點頻，也可自動進行快速線性掃頻。使用壓控增益放大器級聯，實現了-2-46dB增益連續可調，并有不錯的帶載能力。使用高性能集成式對數放大器，實現了高動態范圍、高穩定性、高響應速度的對數檢波功能。本裝置可以完成幅頻特性測試，并且通過單路數字信道進行主從通信，通過從機進行數模轉換并在示波器上顯示幅頻特性曲線。本作品完成了題目的所有基礎指標和部分發揮要求，并且在一些指標上能做到更大的范圍。
附錄
測試方案 信號源測試： 1．1頻率范圍：系統設置1MHz到40MHz頻率輸出，使用示波器內置頻率計測量頻率。 1．2頻率步進：手動控制系統進行從1MHz到40MHz進行步進輸出，使用示波器內置頻率計測量頻率。 1．3掃頻功能：系統設置0.5MHz到50MHz掃頻輸出，幅度設置50mV，使用示波器觀測是否正常掃頻。 1．4輸出電壓峰峰值：分別在1MHz、4MHz、10MHz、20MHz、40MHz輸出頻率下，接入600Ω負載，手動控制輸出幅度的衰減等級，使用頻譜儀測量輸出信號幅度的最小與最大值。
放大器測試： 2．1輸入阻抗：將信號源設置為600Ω阻抗輸出，先接入一個確定的600Ω阻抗負載，使用頻譜儀測量負載輸入端信號幅度；將負載換成放大器網絡，再次測量輸入幅度，并與之前的結果進行對比。 2．2增益與帶載能力：將信號源設置為600Ω阻抗，接入放大器，并在放大器輸出端連接600Ω負載。分別在信號頻率1MHz、4MHz、10MHz、20MHz、40MHz下調整輸入信號幅值與增益控制電壓，使用頻譜儀測量輸出信號幅值，觀察是否達到題目指標，并計算增益。同時使用示波器觀察輸出信號波形，觀察是否失真。
幅頻特性檢測顯示測試： 3．1對數檢波：使用信號源直接向對數檢波模塊輸入1MHz、4MHz、10MHz、20MHz、40MHz下5mV – 2V 峰峰值的正弦波，并測量輸出電平，計算是否滿足理論值。 3．1幅頻特性曲線顯示：設置DDS信號源循環掃頻輸出0.5MHz-50MHz，將對數檢波電平與觸發脈沖接入示波器，觀察是否能正確顯示出幅頻特性曲線。
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