基于單片機的頻率特性測試儀設計

發(fā)布時(shí)間:2010-7-15 16:07    發(fā)布者:李寬
關(guān)鍵詞: 頻率特性測試儀 , 掃描儀
引言

頻率特性測試儀也叫掃描儀,早期的頻率特性測試儀是通過(guò)手動(dòng)改變頻率的方法逐點(diǎn)測量完成的,后來(lái)按照這種方法設計了專(zhuān)門(mén)的掃描儀用于頻率特性的測量。早期的測量?jì)x大都采用分立元件來(lái)實(shí)現各種功能,顯示部分也是用傳統的示波器。所以體積大、設備重、故障率高、操作復雜、價(jià)格昂貴,有的只能測量幅頻特性,且精度不高。像BT6型超低頻頻率特性測試儀,就是采用分立元件。由于分立元件分散性大,參數變化與外部條件有關(guān),因而產(chǎn)生的頻率穩定度差、精度低、抗干擾能力不強,成本反而高。

隨著(zhù)頻率合成技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展,頻率特性測試儀也得到改進(jìn),掃頻源采用數字量進(jìn)行控制,數字化信號源可以彌補分立元件的不足,測量部分也進(jìn)行了數字化的改進(jìn),大多都在低頻段(小于 1MHz),測試儀的智能化程度仍然不是很高,掃頻范圍也不寬,相位測量精度也不高,雖然有一些測試儀也具有很高的精度和很寬的掃頻范圍,但是價(jià)格極其昂貴。

近幾年,隨著(zhù)現代電子技術(shù)的飛速發(fā)展,各種儀器都偏向小型化、數字化、智能化、低功耗方向發(fā)展,頻率特性測試儀作為一種重要的測量?jì)x器,也在不斷的發(fā)展,由于直接頻率合成(DDS)技術(shù)的日益成熟,為頻率特性測試儀的數字化開(kāi)辟了道路,液晶顯示器技術(shù)的成熟使頻率特性測試儀小型化成為可能。

本文給出了數字式頻率特性測試儀系統的硬件設計。采用DDS技術(shù)作為掃頻信號源,同時(shí)采用了集成芯片CD4046對相位進(jìn)行檢測和用運算放大器CA3140及其外圍模擬電路對幅度進(jìn)行檢測,用單片機AT89C52進(jìn)行測量控制和數據處理,使用液晶顯示器對測量結果進(jìn)行圖形顯示。

系統設計

該系統要滿(mǎn)足性能指標為掃頻范圍在100Hz~100kHz;頻率穩定度10-4;測量精度為5%;輸出阻抗50 ;相位測量精度小于1度;能在全頻范圍內自動(dòng)步進(jìn)測量,能夠預置測量范圍及步進(jìn)頻率值。能顯示幅頻特性和相頻特性曲線(xiàn),并能根據選擇,放大局部曲線(xiàn),用對數坐標和線(xiàn)性坐標顯示,并配有文字標注。

根據所要完成的測試功能及性能指標,該系統由信號源電路、增益相位檢測電路、控制及數據處理電路和圖形顯示及接口電路四部分組成,系統框圖如圖 1所示。



信號源電路由信號發(fā)生器發(fā)生電路和信號調理電路兩部分組成。本系統中信號發(fā)生電路采用DDS技術(shù)實(shí)現,能夠產(chǎn)生頻率、持續時(shí)間等都是可控的掃頻信號,并能夠滿(mǎn)足一般用戶(hù)對頻率范圍的要求;信號調理電路主要是對信號中的噪聲進(jìn)行抑制,并對輸出信號的功率起到控制作用。

增益相位檢測電路是為了檢測被測網(wǎng)絡(luò )兩端的幅度差和相位差。先對被測網(wǎng)絡(luò )兩端的信號進(jìn)行預處理,再對其進(jìn)行模擬檢幅和鑒相,然后把幅度差和相位差的模擬量由ADC0809轉化為數字量,送給控制及數據處理電路進(jìn)行分析處理。

控制及數據處理電路要完成邏輯控制、數據處理和與人機接口三個(gè)功能,由單片機AT89C52完成。主要用于控制整個(gè)系統的協(xié)調工作,并對測量及人機接口部分的數據進(jìn)行分析處理。

圖形顯示及接口電路負責接收各種指令和顯示測量結果,例如,顯示掃頻率信號所需要的起始頻率、終止頻率、頻率間隔、單頻點(diǎn)持續時(shí)間等參數,以及測量結果。

信號源電路

掃描信號源框圖如圖2所示。輸出為正弦波形,頻率、幅度可數控。振蕩電路主要是為AD9851提供參考時(shí)鐘,通過(guò)對AD9851寫(xiě)入不同的控制字使AD9851輸出的掃頻信號滿(mǎn)足不同情況的測試要求。



AD9851所產(chǎn)生的信號直接由器件內部的DAC輸出,內部不含低通濾波器,故要對其輸出信號進(jìn)行濾波處理。

相頻特性測試電路

如圖3所示,鑒相電路將輸入和輸出信號分別通過(guò)電壓比較器整形為方波,然后送鑒相器,經(jīng)過(guò)低通濾波器取出直流成分,得到被測網(wǎng)絡(luò )相移信號,送 A/D進(jìn)行數據采集。本電路采用CD4046鎖相環(huán)的異或鑒相器進(jìn)行鑒相。但是其只能給出相移的大小信息,無(wú)法判斷超前與滯后。因此,需要另加一個(gè)相位移極性判別電路。

幅頻特性測試電路

如圖4所示,采用有源峰值檢波器實(shí)現峰值測量,峰值檢波器將被測網(wǎng)絡(luò )的輸入和輸出信號的峰值檢出,再送至A/D轉換器完成量化。實(shí)際上,由于信號源的D/A及低通濾波器的特性能保證在100Hz~100kHz范圍內的幅值保持不變,所以可以省去一路峰值檢波器及A/D,而只采集被測網(wǎng)絡(luò )的輸出信號。

在系統中采用二極管包絡(luò )檢峰法。利用二極管幅度檢測的方法,得到信號的正峰值。此法檢測的信號范圍小,但精度高,能夠滿(mǎn)足該系統的幅頻特性的測試要求。因此采用此方案。利用檢波二極管4088對輸出信號檢測,得到與信號峰值成比例關(guān)系的直流信號,在經(jīng)過(guò)運算放大器CA3140 調整比例系數以便于單片機采樣。電路如圖5所示。

結語(yǔ)

設計了一個(gè)基于單片機頻率特性測試儀的成品。該系統基本達到了全數字化,這有利于縮小儀器的體積、減輕重量、降低成本,為用戶(hù)攜帶提供了方便。

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作者:韓忠華 馬斌 王石 王長(cháng)濤 沈陽(yáng)建筑大學(xué)信息學(xué)院   時(shí)間:2010-06-21
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