信号源调试与检测电子教材.docx
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信号源调试与检测电子教材
信号源调试与检测
一．项目描述
在教学试验和电子测量技术中，常常离不开一个高精度、频率可变的信号源，并且要求由数字信号来控制，这就是数字式频率合成器。
频率合成技术（DDS）具有转换速度快、分辨率高、换频速度快、频率转换时间和相位连续以及可灵活产生多种信号等优点。
本项目设计的信号源能产生的频率为0MHz～50MHz,最小可控步长为1Hz，人机界面为一个简易4×4键盘和LCD,控制中心采用89S52单片机完成对AD9851的控制。
1．项目的功能和性能
1）具有按键选择输出频率类型的功能。
2）输出信号为：
正弦波、方波。
3）信号调制方式ASK、FSK和PSK
4）能把信号源的频率使用LCD显示出来
5）输出信号LCD显示的单位可以是Hz、KHz、MHz
6）输出频率范围为0～50MHz
2.温度变送器的主要技术参数
1）额定工作电压：
±12V±20%。
2）最小工作电压：
>10V。
3）极限工作电压：
≤14V。
4）工作温度：
－30C～＋80C。
二．系统框图
项目的系统框图如图1所示。
图1系统框图
各部分的原理及功能如下：
①4×4键盘。
本部分电路把4×4键盘对应的16个按键转换为电信号送给单片机的I/O进行处理。
②LCD显示。
本部分的功能是把输出信号的频率进行实时显示。
③89S52单片机电路。
本部分电路是整个系统的核心，作用是通过分析控制者按下的按键的含义，从而控制DDS信号产生电路和LCD显示电路。
④DDS信号产生电路。
单片机将按键值通过程序转化为与AD9851对应40bit的控制字,并送入AD9851中,就可以产生所需要的信号源。
⑤信号调理电路。
对DDS信号产生电路产生的信号源进行滤波和放大，最后调理为要求的各种信号。
三．电路工作原理
3.14×4键盘
图24×4键盘电路
4×4键盘电路如图2所示，JP1是键盘输入端子，5.08mm间距接插件；每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。
矩阵的行线和列线分别通过IO接口和CPU通信。
每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接VCC，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。
键盘处理程序的任务是：
确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。
3.2LCD显示
图3LCD显示电路
LCD显示电路如图3所示，JP2是液晶显示模块，LCD选用1601LCD，1601LCD可以显示一行的16个字符，功能是对当前输出的信号源的频率进行实时的显示。
D0～D7经过10K的上拉电阻后，连接到单片机的P0数据口，由89S52对LCD进行显示控制。
3.389S52单片机电路
图489S52单片机电路
89S52单片机电路如图4所示，本部分电路是整个系统的核心，作用是通过分析控制者按下的按键的含义，从而控制DDS信号产生电路和LCD显示电路。
其中单片机89S52的P0口用于对LCD模块的控制，P1端口用于键盘的输入识别，P2口用于和DDS芯片AD9851的通信。
3.4DDS信号产生电路
图5DDS信号产生电路
DDS信号产生电路如图5所示，本电路主要是根据微控制器89S52的控制命令产生各种需要的信号。
DDS芯片采用AD9851，它由数据输入寄存器、频率/相位寄存器、具有6倍参考时钟倍乘器的DDS芯片、10位的模/数转换器、内部高速比较器这几个部分组成。
可以产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制且稳定性很好的模拟正弦波，这个正弦波能够直接作为基准信号源，或通过其内部高速比较器转换成标准方波输出，作为灵敏时钟发生器来使用。
3.5信号调理电路
信号调理电路可以分为两部分：
椭圆低通滤波电路和信号放大电路。
其中椭圆低通滤波电路如图6所示，放大电路如图7所示。
图6低通滤波电路
低通滤波电路对DDS芯片AD9851输出的信号进行滤波，L1、L2、L3与周围的电容构成3阶椭圆低通滤波器，使输出频谱更干净，然后把滤波后的信号送到放大电路进行进一步处理。
图7信号放大电路
经过滤波后的信号虽然比较干净，但幅度还不够，因此需要经过放大电路进行放大。
放大芯片采用集成运放AD811，AD811是一款宽带高速电流反馈型运算放大器，可以正、负15伏供电工作，故接12V完全没有问题。
AD811的小信号带宽达120MHz，输出电流达100mA，短路输出电流可达150mA。
经过滤波、放大后的信号就可以作为输出信号源进行使用了。
四．PCB图
在设计此类高频电路时，要注意良好接地，并避免走线角度过于尖锐，一般采取大面积覆铜来解决接地、散热和屏蔽问题。
项目PCB图如图8所示。
图8PCB图
五．元件清单
表一信号源元件清单
序号
名称
封装
数量
编号
描述
1
20pF
0805
3
C4,C5,C7
无极性电容
2
30pF
0805
3
C1,C2,C6
3
0.1uF
0805
8
C42,C32,C21,C11,C9,C54,C52,C53
4
10uF
CAPPR2-5x6.8
4
C22,C31,C41,C51
极性电解电容
5
22uF
CAPPR7.5-16x35
3
C3,C8,C10
6
1K
0805
4
R1,R8,R10,R15
电阻
7
2K
0805
2
R2,R12
8
3K
0805
1
R3
9
10K
0805
6
R7,R14,R20,R21,R22,R23
10
100
0805
1
R4
11
200
0805
3
R5,R6,R13,
12
510
0805
1
R16
13
51
0805
1
R11
14
500
2
R9,R17
方形电位器
15
2K
1
R12
精密电位器
16
5K
1
RW1
17
10K
8*1R
1
RJ1
排阻
18
390uH
AXIAL-0.5
3
L1，L2，L3
电感
19
FT1602C
FT1602CF
1
JP2
液晶显示模块
20
Header6
CON6
1
J1
6芯插座间距5.08mm
21
Jump
CON3
1
S2
3芯插座间距5.08mm
22
AD811
DIP8
1
U3
运算放大器
23
AD9851
SOP28
1
U2
DDS数字频率合成芯片
24
AT89S52
DIP40
1
U1
单片机
25
SW-SPST
SWITCH
16
S1,S2,S3,S4，S5,S6,S7,S8，S9,S10,S11,S12S13,S14,S15,S16
按键
26
12MHz
TO-92
1
Y1
晶体
27
50MHZ
XTAL
1
Y2
晶振
六．单板调试
1.调试前准备
1.1调试人员的培训
组织调试、测试人员熟悉整机工作原理、技术条件及有关指标，仔细阅读调试工艺卡，使其明确调试内容、方法、步骤、设备使用及注意事项。
1.2技术文件的准备
产品调试之前，调试人员应准备好产品技术条件、技术说明书、电原理图、检修图和调试工艺卡等技术文件。
1.3仪器、仪表的准备
按照技术条件的规定，准备好测试所需要的各类仪器设备。
要求所用仪器、仪表应是符合计量标准和调试要求，并在有效期之内，符合技术文件的规定，满足测试精度范围的需要，并按要求放置好。
1.4被调物件的准备
准备好需要调试与检测的电路板。
1.5场地的准备
调试场地应整齐、清洁、按要求布置，要避免高频、高压、强电磁场的干扰。
如调试高频电路应在屏蔽间进行。
1.6个人准备。
调试人员应按安全操作规程做好上岗准备，调试用图纸、文件、工具、备件等都应放在适当的位置上。
2．调试安全操作规程
2.1测试环境的安全措施：
无裸露的带电导体（如电源线、插头、电源开关等）。
2.2测试仪器的安全措施：
①仪器及附件的金属外壳应接地良好。
②仪器地线必须与机壳相连。
2.3操作安全措施：
①在接通被测电路的电源前，应检查其电路及连线有无短路等不正常现象；接通电源后，应观察电路板有无冒烟、打火、异常发热等情况。
如有异常现象，立即切断电源，查找故障原因。
②禁止调试人员带电操作，当补焊、焊接元件时，一定断开电源。
③如有高压测试调整，调试前应做好绝缘安全准备，如穿戴好绝缘工作鞋、绝缘工作手套等。
④使用和调试MOS电路时必须佩戴防静电腕套。
⑤强电调试时至少应有两人在场，以防不测。
其他无关人员不得进入工作场，任何人不得随意拨动总闸、仪器设备的电源开关及各种旋钮，以免造成事故。
⑥调试工作结束或离开工作场所前，应关掉调试用仪器设备等电器的电源。
3.板调工艺流程
图9板调工艺流程图
4．调试
调试仪器和工具：
数字万用表（精度为3位半），双踪示波器，调试台，放大镜，螺丝刀，镊子，电烙铁等。
4.1通电前检查
4.1.1目测：
焊装好的电路板主板应清洁、无锡渣，无明显的错焊、漏焊、虚焊和短路。
比如：
电解电容是否焊反，各个器件是否按清单提供的标号位置焊接，芯片方向是否正确等。
4.1.2电路板电阻测试指标
表2电路板电阻测试指标值
序号
名称
测试点1
正向电阻指标【kΩ】
测试点2
备注
1
+5
J1的1脚
＞0.2
GND：
J1的5脚
2
-5
J1的2脚
0.3～2
3
+12
J1的3脚
0.3～2
4
-12
J1的4脚
＞0.2
电阻测试方法
用数字万用表的200kΩ档测试表1和表2中测试点1对测试点2间的电阻值。
4.2电源调试与检测
设备：
万用表或示波器。
表3 电源电路电压指标
序号
名称
测试点1
直流电压指标【V】
测试点2
纹波（mV）
1
+5
J1的1脚
+4.9—+5.1
GND：
J1的5脚
≤100mV
2
-5
J1的2脚
-4.9—-5.1
≤100mV
3
+12
J1的3脚
+10.5—+13.5
≤200mV
4
-12
J1的4脚
-10.5—-13.5
≤200mV
测试方法：
当测试时将万用表置于DC20V档，测试上表中的直流电压，测试结果应满足指标要求。
测试时，万用表的黑表笔接上表中的“测试点2”、红表笔接上表中的“测试点1”，测试结果应满足指标要求。
4.3键盘电路调试与检测
设备：
万用表。
用用数字万用表的200kΩ电阻档分别测试每个按键电路两端的电阻。
当按键没有按下时电阻应为无穷大，当按键按下时电阻应接近0Ω，否则检查键盘电路，检查方法见故障的查找与排除。
4.4单片机电路调试与检测
4.4.1脱机调试
设备：
万用表或示波器。
脱机调试是在加电前,先用万用表等工具,按图纸仔细核对样机线路是否正确,并对元器件的安装、型号、规格等进行仔细检查,特别注意印制板加工和焊接时有无走线之间相互短路等，检查方法见故障的查找与排除。
4.4.2联机调试
设备：
万用表或示波器。
联机前先切断电源,把仿真插头插到样机的单片机插座上,检查一下开发机与样机之间的电源、接地是否良好。
一切正常后,即可打开电源。
通电后首先测量晶体是否有时钟输出，执行读／写指令,对存储器I／O口进行读／写操作,进行逻辑检查。
若有故障,可用示波器观察有关点的波形,寻找和分析故障原因,并进一步排除故障。
在主机部分调试好后,便可系统的其它外围部件,如键盘、显示器等,再进一步进行调试。
4.5信号产生电路（DDS）调试与检测
设备：
万用表或示波器。
在加电前,先用万用表等工具,按图纸仔细核对信号产生电路是否正确,并对元器件的安装、型号、规格等进行仔细检查,然后配合软件调试，由单片机对AD9851进行控制字的读写以及数据的控制，同时用示波器检查AD9851的21引脚是否有对应的信号波形输出，如果没有信号输出，就需要在软件调试的同时，进行硬件故障的查找，检查方法见故障的查找与排除。
4.6信号调理电路调试与检测
设备：
频谱仪或示波器。
在加电前,先用万用表等工具,按图纸仔细核对信号产生电路是否正确,然后在信号产生电路调试完成后，对低通滤波电路进行调试与检测。
用示波器比较电容C4和C7与电感连接处的波形，C4处的应该比C7更纯净，如果用频谱仪观测应该少了很多高频杂波，否则检查滤波电路是否存在短路、开路和器件的型号、规格是否有问题。
4.7软件调试
4.7.1软件下载
设备：
计算机和专用软件。
使用计算机把已经调试好的程序下载到单片机。
4.7.2软件调试
设备：
计算机和专用软件。
先进行模块程序调试，对一个个子程序分别调试。
调试时,一定要符合入口条件和出口条件，调试可用单步运行和断点运行方式，通过检查CPU现场情况、RAM的内容和I／O口的状态，检测程序执行结果是否符合设计要求，有无循环错误、有无机器码错误以及转移地址的错误，同时注意系统中存在的硬件设计错误和软件算法错误。
各程序模块通过后,则可以把相关功能块连在一起进行总调。
若有故障，可以考虑各子程序运行时是否破坏了现场，缓冲单元、工作寄存器是否发生冲突，标志位的建立和清除是否有误，堆栈区是否有溢出，输入设备的状态是否正常等等。
单步和断点调试后,还应进行连续调试,用以确定定时精度、CPU的实时响应等问题。
4.7.3固化程序
设备：
计算机和专用软件。
把调试正确的程序下载到单片机。
七．整机装配
7.1．装配流程图
装控制板
接线
装表盖
贴标志
材料准备
面板上装插头
图11整机装配流程图
7.1．材料准备
装配前准备好下列部件：
调试成功的电路板、机箱、接插件等材料。
7.2．安装控制板
用螺丝钉把电路板固定到机箱的底部。
7.3．装插头
用导线把控制板上的电源线接到面板上已固定好的插头上，同样接信号源的引出线。
7.4．装表盖
把变送器的外壳装好。
7.5．材料准备
在接头处贴上标签，表明接头的名称。
八．整机调试与检测
信号源整机装配完成后，测试整机的功能、性能和技术参数。
7.1输出信号频率测试
设备：
万用表、示波器和频谱仪。
接入供电电源，按下4×4键盘的按键，当要求输出频率在设计的输出范围之内时，用示波器检测输出的信号是否正常，包括波形类型以及信号频率是否和按键要求的一致，波形的电压值（幅度）是否达到要求，否则检查电路板。
7.2LCD显示测试
设备：
目测、万用表、示波器。
接入供电电源，按下4×4键盘的按键，目测LCD的显示是否正常，当要求输出频率在设计的输出范围之内时，LCD的字符显示是否和按键要求的一致，显示的频率单位是否正确，否则检查电路板。
九．评价和考核
在项目实施工程中，制定调试方案和计划（20%），实施（30%），检查与产品上交（谈话方式）（20%），职业素养（30%）四个方面考核学生在项目中的具体情况。
考核标准见表4。
表4评价方式和标准
教学单元编号
考核点及占项目分值比
建议考核方式
评价标准
优
良
及格
1
1．制定调试方案和计划（20%）
教师评价+小组互评
调试和检测方案思路清晰、计划完善、思考问题周到
调试和检测方案思路清晰、计划正确
调试和检测方案思路正确、计划不太完善
2．实施（30%）
教师评价+自我评价
正确操作相应仪器、调试与检测方法正确、能正确分析与处理调试中出现的故障现象、调试与检测记录完善。
正确操作相应仪器、调试与检测方法基本正确、调试与检测记录完善。
无重大操作失误，调试与检测记录正确。
3．检查与产品上交（谈话方式）（20%）
教师评价+小组互评
项目检查过程正确、产品技术参数满足要求，流畅表达产品使用说明
项目检查过程基本正确、产品技术参数满足要求。
项目检查过程基本五重大失误、产品技术参数基本满足要求。
4．职业素养（30%）
见表5
表5职业素养考核方式与考核标准
教学单元公共考核点
建议考核方式
评价标准
优
良
及格
1．工作与职业道德（30%）
教师评价+自评+互评
安全、文明工作，具有良好的职业道德
安全文明工作，职业道德较好
没出现违纪违规现象
2．学习态度（30%）
教师评价
学习积极性高，虚心好学
学习积极性较高
没有厌学现象
3．团队合作精神（20%）
互评
具有良好的团队合作精神，热心帮助小组其他成员
具有较好的团队合作精神，能帮助小组其他成员
能配合小组完成项目任务
4．交流及表达能力（10%）
互评+教师评价
能用专业语言正确流利地展示项目成果、能正确总结在项目中的表现
能用专业语言正确流利地展示项目成果
能用专业语言基本正确地阐述项目，无重大失误
5．组织协调能力（10%）
互评+教师评价
能根据工作任务，对资源进行合理分配，同时正确控制、激励和协调小组活动过程
能根据工作任务，对资源进行较合理分配，同时较正确控制、激励和协调小组活动过程
能根据工作任务，对资源进行分配，同时控制、激励和协调小组活动过程，无重大失误
备注：
各等级权重优=1.0，良=0.85，中=0.7，差=0.5
十．故障的查找与排除
在调试过程中，被调部件或电路的指标达不到规定值（如电压值、输出波形等），或者调整这些元件根本不起作用，这时可按以下步骤进行故障查找与排除。
1、了解故障现象，并做好记录。
2、根据故障现象分析电路原理，逐步排除。
对于本项目来说，在调试和检测时遇到的故障一般可以分为：
1）电路板上的元器件（分立元件和集成电路芯片）本身存在问题；
2）电路板本身或者焊接元器件后存在短路或者断路（开路）；
3）电源、信号源或者测量仪器的错误使用，造成调试和检测时发生故障。
在故障的查找和排除时可以逐步分析判断故障，把较复杂的电路分成几个简单的电路来看。
最重要的查找方法是用假设法，假设这个地方有了故障，会发生什么情况。
还要检查仪器仪表的选用和使用是否正确；电源电压的等级和极性是否符合要求；电解电容的极性、二极管和三极管的管脚、集成电路的引脚有无错接、漏接、互碰等情况；布线是否合理；印刷板有无断线；电阻电容有无烧焦和炸裂等。
本项目需要对一些基础知识有全面的了解，然后在电路熟悉的基础上，每个关键点的波形就在脑子里。
在查找、排除故障过程中使用到的主要仪器设备也不多，就是示波器、万用表、毫伏表等，掌握并熟练使用它们并不困难。
对于本项目来说，对于电源部分的故障，从危险性上，可以分为有危险和没有危险两类。
有危险故障又分为人身危险和设备器件危险两种。
在不同的故障下，对电源的处理不同。
对于本项目就有一些故障存在危险。
比如，较大的电解电容被反接，存在爆炸可能；不正确的线路连接，存在燃烧的可能。
对这种故障，一旦明确发现，应立即切断电源。
但是，发现它们是不容易的，多数都是在危险发作后才发现。
然而，保持灵敏的观察，眼睛看——打火、冒烟、明显的爆裂，鼻子嗅——焦糊味，耳朵听——异常的声音，手摸——明显的温度上升等，都有助于此种故障的及早发现。
当然本项目的大多数故障都属于系统实际功能、性能没有满足设计要求或者不能正常工作，但是既不会给人身带来伤害，也不会损毁设备和元器件。
比如当发现信号源DDS的信号滤波后的输出放大电路存在故障，当确认电容没有反接、电源以及输出都没有断路时，而工作又不正常，一般可以认为属于这类故障。
这时一般可以从集成运放AD811芯片是否存在质量问题或者有无引脚焊接短路或者虚焊等方面进行排查。
具体调试时，由于在整机上查找集成电路故障原因比分立元件电路要困难得多，但可以按下列思路查找，还是会很快查出故障原因的。
1）由于AD811芯片在电路中充当一个功能电路，首先了解AD811的内部功能是非常有必要的，它可以帮助判断电路中的故障是在集成电路内部，还是由外接元件引起的，这样有助于分析故障产生的原因。
2）对AD811的引脚电压进行测量，将测量结果与规定值或经验值进行比较，然后通过逻辑推断查出故障可能存在的部位。
此后，首先对该部位的外围元件进行检查，以确定是外接元件和电路的故障还是集成电路本身出了故障。
测量电压时要细心，防止由于粗心大意造成AD811引脚短路，使故障扩大。
3）使用信号源及示波器检查输入及输出信号是否符合要求。
对于运算放大器AD811来说，要弄清放大特性。
当然对于其它集成电路来说，主要是通过信号查清逻辑关系。
故障产生的部位往往在正常与不正常信号电压的两测试点之间，然后应重点检查该部位的外围元件及电路，找出故障产生的根源。
4）对可疑的AD811芯片或者其它集成电路，判断是否有故障的最快办法，是用同型号的好的集成电路替代试验。
5）手工焊接过的电路板常常会有焊屑导致的短路，而且焊屑有时候藏在元件底部，不易查找。
因此芯片或者外围电路的短路和开路也常是形成故障的原因，应用万用表逐点进行仔细的检查。
必要时可将集成电路从整机上拆下，用集成电路测试仪进行最终的判断。
3.最后还要做好调试与检测相关资料的整理归档。
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