数字控制幅频特性测试仪的技术研究

2．4 峰值检测电路设计
峰值检测模块电路的核心器件选用了AD公司的RMS-DC交换器件AD637。它具有响应速度快、响应时间和信号幅度无关等特点。设计电路中，测量信号从芯片第13管脚VIN输入，经过有源整流器(亦称绝对值电路)、平方器／乘法器、滤波放大器、偏置电路和缓冲放大器5部分后，由第14管脚BUFF OUT输出真有效值电平信号。由于被测信号可以不需要偏置，所以电路中将芯片第3管脚COMMON和第4管脚OFFSET直接接地；片选CS悬空，默认使能。连接在芯片第8、9脚之间的平均电容CAV，是影响测量精确度和响应时间的重要参数，它可用来设定平均时间常数，并决定低频准确度、输出纹波大小和稳定时间。尽管增加CAV的容量可以减小纹波电压产生的交流误差，但温度时间也会按比例增加，使测量时间大为延长。一般外围电路可通过第9管胸OUT和第6管脚DEN设置一个可调电阻来调节。因为本课题只需测量低频信号的真有效值，所以平均电容CAV可以适当增大，R2设置为510 Ω，完全可以保证响应时间和测量精度的要求。具体电路如图5所示。根据AD637特性曲线，输入电压在200mV～2V范围内有最佳频率响应，故DDS扫频信号应控制在此范围内。

2．5 系统控制算法软件实现
在幅频特性测试的程序设计中，要注意硬件电路的反应时间。对于波形显示方面，关键是扫描速度和垂直灵敏度的设计及在保证精度的条件下尽可能提高采样速率。在采样方面，使用了STM32F103ZE的DMA控制器，能在一定基础上提高采样速率的极限。在系统上电初始化进入界面菜单后，用键盘控制DDS产生正弦波扫频信号，输入被测网络，然后用AD637测量网络输出的真有效值，接着MCU通过AD采取真有效值进行分析处理，得出被测网络的幅频特性，最后送TFT液晶显示器显示被测网络幅频特性曲线。系统具体程序设计流程图如图6所示。

3 实验结果及分析
3．1 技术指标
技术指标：扫频范围：10Hz～100kHz；幅值范围：200mV～2V，连续可变；频率间隔：键盘任意设定，实现0～N线形增长；测量精度：小于1％；显示模块：3．2英寸TFT液晶。
3．2 测量结果及分析
系统设计完成进行测试，主要针对系统的频率及电压指标的测量，并计算各项指标的相对误差。
3．2．1 DDS输出信号精度测试
由于AD9851输出频率和幅度均程控可调，根据系统要求，只需测试AD9851输出峰峰值为3V左右，频率范围为10Hz～100kHz的正弦波信号的误差。表1给出了使用标准数字示波器的测量结果。从表1中可以看出，测频误差为0，DDS输出达到扫频信号源的精度要求，但在实际操作中，AD9851可输出最高频率可达72MHZ，并且无明显失真。

3．2．2 A／D电压误差测试
A／D电压误差测试使用数字万用表作为标准，表2记录了电压测试结果。从表2中可以看出，系统AD电压测量相对于万用表测量值最大误差为0．6％，满足系统1％以内的误差要求。

3．2．3 真有效值准确度测试
利用函数信号发生器输入频率为50Hz，有效值为20mV～2．5V的正弦波信号，然后利用示波器在输出端测量经其转换后的支流电平，可以测量出AD637准确度，其测量结果如表3所示。从表3中可以看出本设计电路的真有效值转换电路误差不超过0．06％，满足题目要求。

3．2．4 AD637频率特性测试
测量AD637频率特性，是为了测试其是否对被测网络有影响。用函数信号发生器输入有效值为2V、频率为10Hz～10MHz的正弦波信号，然后利用示波器在输出端测量经其转换后的支流电平，测量结果如表4所示。

4 结论
本文设计了基于ARM的数字控制低频幅频特性测试仪系统，本系统体积较小，选用ARM核心平台是STM32，无需外部扩展EPROM和RAM。另外，由于使用了DDS集成电路产生的扫频信号，所以扫频信号的质量精度高，扫频范围较宽。经过测试，本系统稳定可靠，绘制的幅频特性图与理论一致。此外，软件的操作使用和图形数据的处理非常方便，整个仪器的使用也非常简单，是传统的模拟幅频特性测试仪无法相比的，因此在高校电子实验室有比较高的应用价值。