基于AD9851的便携式数字扫频仪器的设计硬件设计毕业论文.docx

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基于AD9851的便携式数字扫频仪器的设计硬件设计毕业论文

基于AD9851的便携式数字扫频仪器的设计

（硬件设计）

DesignofportabledigitalbasedonAD9851sweepfrequencyinstrument（hardwaredesign）

基于AD9851的便携式数字扫频仪器的设计（硬件设计）

摘要

扫频仪是测量网络传输特性的仪器，在现代电子测量中占据着重要的地位。

本文着

重分析了扫频仪的工作原理，提出了一种基于DDS技术的扫频仪的设计方案。

在对市场上扫频仪的研究现状和对系统特性进行分析以后，确定了本设计的性能指标和总体方案。

此设计主要有扫频信号发生器电路、增益控制电路、自动电平控制电路、检波头输出电路、单片机ATmega128以及电源模块电路等模块组成，其中扫频信号发生器电路采用DDS纯数字化方法，具有高速的频率转换时间、极高的频率分辨率和较低的相位噪声还具有可编程控制等优点，再加上增益控制电路、自动电平控制电路等，使扫频仪能适应各种测试要求。

利用微处理器ATmega128作为控制及处理单元，使用集成化的幅度和相位检测芯片，配有LCD192X64液晶显示，使这种扫频仪设计简单，调试方便，性能稳定可靠，系统界面友好，能够在全频范围内自动步进测量，可预置测量范围及步进频率值,可以更加细致的观察频率特性图，给使用者带来方便。

关键词扫频仪DDS技术增益控制

Abstract

Sweepgeneratorisaninstrumentformeasuringtransmissioncharacteristicsofthenetwork.Inthispaper,theworkingprincipleofsweepgeneratorwereanalysedemphatically,thenadesignschemebasedonDDStechnologywereputforward.Afteranalysingtheresearchstatusofthesweepgeneratorsinthemarketandthesystemcharacteristics,wemakesuretheperformanceindexandgeneralscheme.Inthisdesign,thesweepgeneratorconsistsofseveralparts,theyrespectivelyaresweptsignalgeneratorcircuit,gaincontrolcircuit,automaticvoltagecontrolcircuit，detectingheadoutputcircuit，atmega128microcontroller,powermodulecircuitInwhichsweptsignalgeneratoradoptthepuredigitaltechniquewhichhashigh-speedfrequencyconversiontime,extremelyhighfrequencyresolution,lowerphasenoiseandtheoutstandingadvantageofprogramecontrol,superaddthegaincontrolcircuitandAutomaticvoltagecontrolcircuit,thesweepgeneratorcanadapttovarioustestrequirements.EmbeddedmicroprocessorAD9851wereusedasthecontrolandprocessingandthecompositivemagnitudeandphasedetectingcircuitLCD192X64makethedesignofsweepgeneratormoresimple,thedebuggingmoreconvenientandtheperformancemorestableandreliable.Inaddition,thissweepgeneratorcanmakesteppingmeasurementautomaticallyinthewholefrequencyrange.Wecanpresetmeasuringrangeandsteppingfrequency,sothedetailedfrequencycharacteristiccurvescanbeseenclearly.Thisfunctionbringsusersmuchconvenience.

Keywords:

sweepgeneratorDDStechonologygaincontrol

第一章绪论

1.1扫频仪简介

在电子测量中，经常遇到对网络的阻抗特性和传输特性进行测量的问题，其中传输特性包括增益和衰减特性、幅频特性、相频特性等。

用来测量前述特性的仪器我们称为频率特性测试仪，简称扫频仪。

它为被测网络的调整，校准及故障的排除提供了极大的方便。

扫频仪一般由扫描锯齿波发生器、扫频信号发生器、宽带放大器、频标信号发生器、X轴放大、Y轴放大、显示设备、面板键盘以及多路输出电源等部分组成。

其基本工作过程是通过电源变压器将50Hz市电降压后送入扫描锯齿波发生器，就形成了锯齿波，这个锯齿波一方面控制扫频信号发生器，对扫频信号进行调频，另一方面该锯齿波送到X轴偏转放大器放大后，去控制示波器X轴偏转板，使电子束产生水平扫描。

由于这个锯齿波同时控制电子束水平扫描和扫频振荡器，因此电子束在示波管荧光屏上的每一水平位置对应于某一瞬时频率。

从左向右频率逐渐增高，并且是线性变化的。

扫频信号发生器产生的扫频信号送到宽带放大器放大后，送入衰减器，然后输出扫频信号到被测电路。

为了消除扫频信号的寄生调幅，宽带放大器增设了自动增益控制器（AGC）。

宽带放大器输出的扫频信号送到频标混频器，在频标混频器中与1MHz和10MHz或50MHz晶振信号或外频标信号进行混频。

产生的频标信号送入Y轴偏转放大器放大后输出给示波管的Y轴偏转板。

扫频信号通过被测电路后，经过Y轴电位器、衰减器、放大器放大后送到示波管的Y轴偏转板，得被测电路的幅频特性曲线。

1.2扫频仪的分类及其简介

信号扫描频率发生器，也被定为一个测试信号扫频发生器，功能扫频发生器，乐音扫频发生器，任意波形扫描频率发生器，或频率扫频发生器，生成重复的电子信号（在任在模拟或数字域）的电子装置。

它们通常用于设计，测试，故障排除和修复电子电声器件，虽然他们往往有艺术用途。

有许多不同的类型的信号扫描频率发生器，带有不同的目的和应用程序（且在不同的费用水平），在一般情况下，没有任何的移动设备是适合用于所有可能的应用。

 传统上，信号扫频发生器已被嵌入的硬件单元，但由于多媒体PC的年龄，灵活的，可编程的软件乐音扫频发生器也可用。

（1）功能扫频发生器

  一个功能扫描频率发生器也是一个装置，它生产简单的重复波形。

这种装置包含一个电子振荡器，一个电路，该电路能够创建一个重复波形。

（现代的设备可以使用数字信号处理的合成波形，后跟一个数字到模拟的转换器，或DAC，以产生一个模拟输出）。

最常见的波形为正弦波，脉冲，方波和三角波振荡器锯齿波，通常可作为任意波形扫描频率发生器（AWG）。

如果以上的音频频率范围（>20千赫）的振荡器的工作，扫频发生器通常包括某种形式的调制功能，诸如振幅调制（AM），频率调制（FM）或相位调制（PM）以及一个第二振荡器，提供了一个音频的频率调制波形。

  功能扫描频率的发生器中通常使用简单的电子维修和设计的，它们被用来刺激被测电路的。

然后，使用的设备，如示波器测量电路的输出。

功能扫描频率发生器不同的输出功能，频率范围，频率精度和稳定性，和其他一些参数的数量。

（2）任意波形扫描频率发生器

任意波形扫描频率发生器，或AWG的，是复杂的信号扫描频率发生器，允许用户在公布的频率范围限制内生成任意波形，频率范围，精度和输出。

不像函数扫描频率发生器，它被限制为一组简单的波形;AWG允许用户在各种不同的方式指定的源波形。

AWG的是比功能扫描频率发生器一般都比较昂贵，而且往往更多的可用带宽非常有限，因此，他们通常只限于较高端的设计和测试应用程序。

  （3）音频扫频发生器和音频扫频频率发生器

乐音扫频发生器是一种典型的用于在音频和声学优化的信号扫描频率发生器。

乐音扫频发生器通常包括以上的音频频率范围（20Hz至20kHz）的正弦波。

精密的音调扫频发生器也将包括扫描扫描频率发生器，多音扫频发生器（该输多个的色调的同时，和用于检查互调失真和其它非线性效应），和猝发音（用于测量响应瞬变）。

音扫频发生器通常用于一并声级计，当测量一个房间或声学的声音重放系统，和/或与示波器或专门的音频分析仪。

  许多音扫描频率发生器在数字域进行操作，在各种数字音频格式，如AES-3，或SPDIF输出。

这种扫描频率发生器可以包括特殊的信号，刺激各种数码效果和存在的问题，如裁剪，抖动，误码，他们还经常提供的方法来处理相关的元数据与数字音频格式。

第二章便携式扫频仪器方案的选择

2.1扫频仪基本知识

2.1.1扫频仪的功能与用途

某种幅频特性是各种控制系统在频域中的建立起来的一种数学模型，它准确的描述了系统内部的内在特性，而且与外界因素无关，当一个系统结构的参数给定了，那么系统的频率特性也被完全确定。

在信号与系统的学习中我们知道，在不知到系统的频谱特性时，我们将其看作是一个“黑箱子”，然后通过输入、输出的传递函数的关系来描述系统的内在特性。

这在电路系统中也采用了相同的方法，即使在相当多的情况下，我们即便无法知道电路的详确切结构，或无法获得电路中各个组件的准确参数，只能将所要分析的电路系统作为“黑箱”来处理。

我们通过测量网络的输入和输出经计算得到网络的幅频特性，便携式数字扫频仪就是将“黑箱”的幅频特性曲线直观地反映在显示器上的的一种网络分析仪器。

2.1.2基本测量原理

测量幅频特性有许多种方法,最基本的有两种方法：

动态测量法和稳态测量法。

（1）动态测量法

动态测量法主要是指冲激响应测量法，它利用被测网络的冲激响应来推算出网络的频率特性。

当我们将一个特定的输入信号加在某个被测网络是,那么由于网络具有特定的幅频特性就会产生一个特定的输出,从而推算出被测网络的幅频特性。

（2）稳态测量法

稳态测量法的被测系统为线性非时变网络。

如图2-1所示。

图2-1稳态测量法原理

图2-1是一个最简单的稳态测量网络，图中单调谐电路就是一个线性非时变网络，其测量过程是：

先将信号源Ui（t）=sinωt加到被测网络的输入端，网络的稳态响应为（上图a所示）Uo（t）=H（jω）sin（ωt+Φ（w））。

这样对于每一个特定的ω，通过被测网络后得到一个稳态响应（上图b所示）H（jω），响应信号与输入信号的幅值比即为该频率的幅频响应值，而两者的相位差即为相频响应值，可以采用频率逐点步进或频率连续变化的方法，完成整个频率特性的测量，因此，这种方法也被称为扫频法。

2.2系统的主要性能指标

本设计是基于DDS技术的数字扫频仪，扫频信号范围为0Hz－70kHz；扫频信号频率分辨率不低于1Hz；输出阻抗为50Ω；扫频步长可以在1Hz－70kHz范围内以整数为单位自行调整，所实现的主要功能和测量精度如下：

a，幅度测量精度小于0.1V。

b，能在全频范围内自动步进测量，可预置测量范围及步进频率值。

c，能直观的显示幅频特性曲线，并能直接读出频率值及频率所对应的幅度值。

d，能存储被测网络的测量结果。

e，测量结果在LCD上显示。

f，输出扫频信号电压分为两个通道：

通道1为（0－1Vpp），通道2为（0－10Vpp）

频率标记信号分两档：

频标1为步进频率的1倍；频标2为步进频率的56倍。

g，扫频信号的输出衰减器衰减范围：

0－72dB。

2.3总体方案设计与论证

通过对便携式数字扫频仪概念的理解和对技术指标的分析可知，扫频仪的设计关键在于扫频信号源、检波器,单片机控制电路的设计，本文提出了两个设计方案。

2.3.1方案一介绍

采用动态测量法，即冲击响应测量的方法。

如图下所示，图中e（t）和r（t）分别是系统时域中的激励函数和零状态响应函数，假设e（t）和r（t）的傅立叶变换分别是E（jω）和R（jω），则系统的频率特性H（jω）可用式（2-1）计算：

H（jω）＝R（jω）/E（jω）（2-1）

图2-2冲击响应测量原理图

当输入激励函数e（t）＝单位冲激函数δ（t）时，则输出为系统的单位冲激响h（t），由于

（1）式中的E（jω）恒等于1，于是就有公式（2-2）。

（2.2）

计算得到的H（jω）为复数，包含了幅频特性和相频特性的完整信息。

本方案可以采用目前的DSP技术实现，只要产生一个冲激脉冲δ（t），并对输出响应进行数据采集，对输出信号进行傅里叶变换就能得到被测系统的频率特性。

2.3.2方案二介绍

采用稳态测量法，即扫频法，如图2-3所示。

图2-3扫频法测量硬件框图

扫频法是运用响应信号与输入信号的幅值比（即该频率的幅频响应值）来反映网络的幅频特性。

本方案的硬件设计框图如图2-3，由微控制器ATmega128控制DDS扫频源产生低频扫频信号，经宽带放大器将信号进行放大，再由自动电平控制控制扫频信号的幅度值，最终产生幅度可控且稳定的扫频信号。

由于被测网络是线性非时变网络，所以扫频信号经过被测网络后，在被测网络的输出端得到的是调幅波，此调幅波经过有效值检波，将载波滤出，最后进入ADC转换器的信号就是反映被测网络幅频特性的信号。

经ADC进行采样处理，最后由微控制器将处理的采样值送到液晶显示器显示，这样被测网络的幅频特性就直观地显示出来了。

2.4方案比较

方案一：

采用动态测量的方法，这种方法的好处是不需额外添加扫频信号源，也不必添加幅度检波电路和相位差检测电路，因而硬件工作量小，测量时间比较短。

但这种方法一般只适合用于低频系统的测量中，例如音频的分析、电声系统的分析、振动系统的分析等。

但在实际制作中需要制作一个质量相当高的冲激激励脉冲信号源，或者频谱和统计特性满足测量要求的任意波形或序列信号，还需要一定的数据采集速度以及数字信号处理计算能力，这些都不易实现。

方案二：

稳态测量法适用于很宽的频段，需要额外添加一个频率可步进或可扫频的并符合相应指标要求的信号源，需要幅值检波器，所需的仪器还包括扫频、检测和显示的同步控制模块，整个系统的硬件规模较方案一庞大多，数字计算的软件工作量则相对较小。

在被测量系统可以接受的安全输入幅值范围内，激励信号的全部能量都可以集中于某一频率上，被测网络对该频率激励的稳态输出信号分量的信噪比高，有利于提高测量精度。

缺点是每次测量的是网络的稳态响应，需要等待网络达到稳态，从而测量时间上比较长。

2.5总体方案确立

综合考虑上面两种方法的优缺点，也考虑到我们所学的知识以及各方法可以实现的可能性，我们决定选用总体方案二——稳态测量法。

相对于质量要求很高的冲激激励脉冲信号源来说，扫频信号源信号更容易实现。

第三章单元电路设计与分析

本方案首先是由微控制器ATmega128控制DDS扫频源AD9851产生特定的低频扫频信号，然后经过幅值放大电路，自动电平控制电路加在被测网络的输入端，检波电路则将被测网络的输出输入给ADC转换器，再送给微处理器ATmega128，微处理器经过运算得到被测网络的幅频特性曲线并在LCD192X64上面显示出来，由于本系统采用的芯片较多，各芯片的额定电压不一，因此加入了复杂的电源电路。

3.1单片机主控模块的设计与分析

3.1.1ATmega单片机简介

ATmega128是ATMEL公司的8位系列单片机的最高配置的一款单片机，稳定性极高，应用极其广泛。

（1）主要特性的介绍

a，高性能、低功耗的AVR8位微处理器

b，先进的RISC结构

–133条指令–大多数可以在一个时钟周期内完成

–32x8通用工作寄存器+外设控制寄存器

–全静态工作

–工作于16MHz时性能高达16MIPS

–只需两个时钟周期的硬件乘法器

c，非易失性的程序和数据存储器

–128K字节的系统内可编程Flash

d，寿命:

10,000次写/擦除周期

–具有独立锁定位、可选择的启动代码区

e，通过片内的启动程序实现系统内编程

f，读-修改-写操作

–4K字节的EEPROM

–4K字节的内部SRAM

–多达64K字节的优化的外部存储器空间

–可以对锁定位进行编程以实现软件加密

–可以通过ISP实现系统内编程

g，JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）

–遵循JTAG标准的边界扫描功能

–支持扩展的片内调试

–通过JTAG接口实现对Flash,EEPROM,熔丝位和锁定位的编程

（2）外设特点

–两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器

–两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器

–具有独立预分频器的实时时钟计数器

–两路8位PWM

–6路分辨率可编程（1到16位）的PWM

–输出比较调制器

–8路10位ADC

–8个单端通道

–7个差分通道

–2个具有可编程增益（1x,10x,或200x）的差分通道

–面向字节的两线接口

–两个可编程的串行USART

–可工作于主机/从机模式的SPI串行接口

–具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器

–片内模拟比较器

（3）特殊的处理器特点

–上电复位以及可编程的掉电检测

–片内经过标定的RC振荡器

–片内/片外中断源

–6种睡眠模式:

空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及

–扩展的Standby模式

–可以通过软件进行选择的时钟频率

–通过熔丝位可以选择ATmega103兼容模式

–全局上拉禁止功能

（4）I/O和封装

–53个可编程I/O口线

–64引脚TQFP与64引脚MLF封装

·工作电压

–2.7-5.5VATmega128L

–4.5-5.5VATmega128

·速度等级

–0-8MHzATmega128L

–0-16MHzATmega128

ATmega128TQFP封装现主要有这些型号：

ATmega128-16AU、ATmega128-16AI。

下面对ATmega128的型号标识进行解析：

1、型号紧跟的字母，表示电压工作范围。

带“L”：

2.7-5.5V；若缺省，不带“L”：

4.5-5.5V。

　例：

ATmega128-16AU，不带“L”表示工作电压为4.5-5.5V。

2、后缀的数字部分，表示支持的最高系统时钟。

　例：

ATmega128-16AU，“16”表示可支持最高为16MHZ的系统时钟。

3、后缀第一（第二）个字母，表示封装。

“P”：

DIP封装，“A”：

TQFP封装，“M”：

MLF封装。

　例：

ATmega128-16AU，“A”表示TQFP封装。

4、后缀最后一个字母，表示应用级别。

“C”：

商业级，“I”：

工业级（有铅）、“U”工业级（无铅）。

　例：

ATmega128-16AU，“U”表示无铅工业级。

ATmega128-16AI，“I”表示有铅工业级。

（5）ATmega128各引脚功能介绍

Vcc:

数字电路的电源。

GND:

地。

a，端口A（PA7~PAO）:

端口A为双向I/O口并具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,则端口被外部电路拉低时将输出电流。

复位发生时端口A为三态。

端口A也可以用作其他不同的特殊功能。

b，端口B（PB7~PB0）:

端口B为8位双向I/O口,并具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时,若内部上拉电阻使能.则端口被外部电路拉低时将输出电流。

复位发生时端口B为三态。

端口8也可以用作其他不同.

c，端口C（PC7~PC0）:

端口C为8位双向I/0口,并具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时,若内部上拉电阻使能.则端口被外部电路拉低时将输出电流。

复位发生时端口C为三态。

端口C也可以用作其他不同的特殊功能。

在ATmegal03兼容模式下,端口C只能作为输出,而且在复位发生时不是三态。

d，端口D（PD7~PD0）:

端口D为8位双向I/0口,并具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时.若内部上拉电阻使能.则端口被外部电路拉低时将输出电流。

复位发生时端口D为三态。

端口D也可以用作其他不同。

e，端口E（PE7~PE0）:

端口E为8位双向I/0口,并具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时.若内部上拉电阻使能.则端口被外部电路拉低时将输出电流。

复位发生时端口E为三态。

端口E也可以用作其他不同的特殊功能.。

d，端口F（PFT~PF0）:

端口F为ADC的模拟输人引脚。

如果不作为ADC的模拟输入.端口F可以作为8位双向I/0口,并具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时,若内部上拉电阻使能.则端口被外部电路拉低时将输出电流。

复位发生时端口F为三态。

如果使能了JTAG接口.则复位发生时引脚PF7（TDI）、PF5（TMS）和PF4（TCK）的上拉电阻使能。

端口F也可以作为JTAG接口。

在ATmegal03兼容模式下,端口F只能作为输入引脚。

g，端口G（PG4-~PG0）:

端口G为5位双向I/O口,并具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时.若内部上拉电阻使能.则端口被外部电路拉低时将输出电流。

复位发生时端口G为三态。

端口G也可以用作其他不同的特殊功能。

在ATmegal03兼容模式下.端口G只能作为外部存储器的锁存信号以及32kHz振荡器的输入,并且在复位时这些引脚初始化为PG0=1、PGl=1以及PG2=0。

PG3和PG4是振荡器引脚。

.RESET:

复位输入引脚。

超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。

低于此时间的脉冲不能保证可靠复位。

XTALl:

反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。

XTAL2:

反向振荡器放大器的输出。

AVCC为端口F以及ADC转换器的电源.需要与Vcc相连接.即使没有使用ADC也应该如此。

使用ADC时应该通过一个低通滤波器与Vcc连接。

AREF:

AREF为ADC的模拟基准输入引脚。

PEN是SPl串行下载的使能引脚。

在上电复位时保持丽为低电平将使器件进入。