基于STM32的远程幅频特性装置研究

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　Ｗ０ＲＬＤ·ｉ　ｊ　基于ＳＴＭ３　２的远程幅频特性装置研究　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　【摘要】对于远程幅频特性装置而言，其信号源输出需要具备扫频功能，通过对信号的处理，在计算机中进行幅频特性曲线的绘制。基于　此，笔者４￣－ＳＴＭ３２单片机作为核心，对远程幅频特性装置进行了设计与测试分析。首先，笔者介绍了基于ｓＴＭ３２的远程幅频特性装置的系　统结构。然后从多个方面分析了系统结构的实现，最后对设计完成的远程幅频特性装置进行了多项测试，测试的结果显示，基于ｓＴＭ３２的　远程幅频特性装置可以满足标准要求。　【关键词】ＳＴＭ３２单片机；远程幅频特性　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２Ｏ，则理论带宽最高为　１　９５ＭＨｚ，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ｌ一５００Ｍ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／ｕ　ｓ，能够输出１Ｖｒｍｓ。当增　益倍数设为０时，最高带宽可达４５０ＭＨｚ＿　ＪＪ。　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７４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．２Ｏ．２０ｄＢ，并采用１Ｏ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１Ｏ。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５０　Ｑ，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２Ｏ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：　Ｖｏ＝Ｖｖｌｏｇ　ｃ　其中，ｖｖ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：ｌ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　电．子世，●·１７１·　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　ＷＯＲＬＤ·　片机传输的数据包。　２．６丌型网络的设计　在进行　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　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，　ｎ型网络的两端电阻设定为５０Ｑ。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ｌ：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１２０　Ｑ、最小值时１３．８　Ｑ。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２０ｋＱ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　行绘图的输出口］。　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ｌＯｍＶ－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ｎ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　Ⅱ型网络）进行ｌ０ＭＨｚ且峰峰值是ｌＯ０ｍｖ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　Ｊ。　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。　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　６００　Ｑ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５．１ＯＯｍＶ。　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ｎ型网络的正弦信号设置为１ＯＯｍＶ，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—　参考文献　【１】方华一种远程幅频特性测试装置的设计Ｕ１．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Ｐａｄ∈近似法的零阶保持　器幅频特性仿真　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Ｕ】．自动化与　仪器仪表，２０１６（１２）：５—７．　（上接第１７０页）　到物体，左侧的传感器没有检测到物体，表明移动物体位于旅行箱　可以运用于生活的许多场合下，如机场乘客的行李搬运，大型商场　的职能购物车，还有大型车间中设备检验人员的工具搬运等多种场　合，它能很好的解放我们的双手。　参考文献　【１ｌ蔡磊，周亭亭，郭云鹏等．基于超声波定位的智能跟随小车【Ｉ】．　电子测量技术，２０１３，３６（１１）：７６—７９．　右侧，将执行右转命令；其他情况下将执行前进命令。　２．４电机驱动程序设计　单片机控制直流电机时，需要加驱动电路为直流电机提供足　够大的驱动电流，本设计采用Ｌ２９８Ｎ驱动模块，它可以同时驱动两　组电机，每个电机由单片机的两个Ｉ／Ｏ口控制，通过单片机调节使　能输出不同占空比的ＰＷＭ波形。占空比是指高电平持续时间在一　个周期时间内的百分比ｌ】…。控制电机的转速时，占空比越大，速度　越快，我们设置旅行箱在完成前进命令时占空比为１００％，执行左　转、右转时占空比为５０％。　【２】陈洁，余诗诗，李斌等．基于双阀值比较法超声波流量计处理信　号　仪器仪表学报，２０１４，３５（１０）：２２２３—２２３０．　【３】张艳，贾应炜．基于ＨＣ—ＲＳ０４模块的超声波测距系统设计ＩＪ１　．自动化技术与应用，２０１６，３５（３）：１０１—１０４．　３系统测试　在环境温度正常的室外对智能跟随旅行箱的跟随性能进行了测　试，分别选择超声波跟随系统和红外跟随系统观察是否准确跟随，　两种跟随系统都很好的实现了跟随的功能，其中超声波跟随系统最　远距离为４ｍ，红外跟随系统最远距离为２ｍ，报警装置的报警距离　兰羽具有温度补偿功能的超声波测距系统设计卟电子测量　技术，２０１３，３６（２）：８５—８７．　【５】章隆彬，邱横，马国荣．基于Ａｎｄｒｏｉｄ操作系统的ＸＫ—ｌ教育机器　人平台设计【ｌ１ｌ国外电子测量技术，２０１３，３２（８）：５０—５３．　Ｉ６】王国宏，毛士艺，何友．红外传感器目标跟踪算法　火力与指挥　控制，２００ｌ，２６（２）：５—９　为离地２０ｃｍ，系统整体性能优良。　【７】李从宏．基于功能码的红外遥控软件解码技术ＩＪ　　Ｊｌ单片机与嵌　入式系统应用，２０１０，９：７２—７３．　４结论　以ＳＴＣ８９ＣＳ５２为主要芯片，设计并制造了智能跟随旅行箱，具　有反应迅速，定位准确，实时跟踪的特点，定位于日常生活使用，　具有操作简单，自动化程度高，成本低等优势。根据使用场景可选　择超声波定位系统及红外跟随系统。从它本身具有的特性来看，　·１７２·哇｝子ｔ堕界　［８］李桂芝，贾峰，闫海鲲．红外测量图像自适应彩虹码伪彩色编码　方法ＵＪ长春理工大学学报（自然科学版），２（）１１（４）：３６—３９　【９】刘磊，孙晓菲，张煜基于ＳＴＭ３２的可遥控智能跟随小车设计【Ｊｌ　ｌ电子测量技术，２０１５，３８（６）：３１—３３．　［１０］赵海兰基于单片机的红外遥控智能小车的设计【Ｊ１ｌ电子世　界，２０１　１　０８：４５—４７．