数字频率特性测试仪的设计lpy.docx

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数字频率特性测试仪的设计lpy

数字频率特性测试仪的设计

摘要：

介绍了用函数发生器ICL8038构成压控振荡器，用D/A转换器提供压控振荡器的控制电压的频率特性测试仪。

它以单片机为控制核心，实现了扫描频率的步进调整，频率数现，被测网络幅频特性与像频特性曲线的打印。

模拟式扫频仪价格昂贵，不能直接得到相频特性，更不能打印网络的响应曲线，给使用带来诸多不便，为此，我们研究和设计了低频段数字特性测试仪。

该测试仪使用压控震荡器产生扫描信号，以单片机为核心，通过A/D、D/A等接口电路，实现扫描频率的步进调整、数字显示及被测网络幅频特性与相频特性数显等。

该系统成本低，扫描频率范围为10HZ～1MHZ并可方便的与打印机连接实现频率特性曲线的打印。

关键词：

电子测量；幅频特性；相频特性；压控振荡器；单片机

Thedesignofmulti-functionsignalgenerator

Abstract:

IntroducedtousethemachineICL8038ofthefunctionoccurrencecomposingstopresstocontroltoflaptoconcussamachine,useD/Aconvertamachinetoprovidetopresstocontrolthefrequencycharacteristicofflapthecontrolelectricvoltageofconcussthemachinetestinstrument.Ittakessingleslicemachineastocontrolcore,carriedouttoscantreadoffrequencyintotheadjustment,thefrequencycountsnowandismeasuredanetworkPincharacteristicwithbelikethePincharacteristicprintofcurve.TheemulationtypesweepsaPininstrumentpriceexpensive,can'tdirectlygetmutuallyPincharacteristic,can'tevenprintrespondtoofnetworkcurve,bringusagemanyinconvenience,isthis,weresearchanddesignedalowfrequencysegmentnumericalcharacteristicatestaninstrument.Shouldtestaninstrumentusagetopresstocontrolthevibrationmachinecreationtoscansignal,withsingleslicemachineforcore,passA/D、D/Aetc.connectapeople'selectriccircuit,therealizationscanstreadoffrequencyintotheadjustment,numericalmanifestationandismeasuredanetworkPincharacteristicwithmutuallythePincharacteristicnumbershowetc..

Keywords:

Theelectronicsmeasure;frequencycharacteristic;Mutuallyfrequencycharacteristic;voltagecontrolledmachine;SingleChipMicyoco

目录

第一章绪论1

第二章频率特性基本测量方法3

2.1频率特性的概念3

2.2频率特性两种测量基本方法的介绍和比较3

第三章系统设计6

3.1整体构思6

3.2D/A转换器的设计6

3.3宽带功放8

3.4扫频信号源的设计9

3.5A/D转换器11

3.6幅频特性与相频特性的测量与打印11

3.7软件流程与系统调试要点15

第四章系统测试17

4.1振荡环节输出特性17

4.2惯性环节幅频修正17

4.3电路特性显示18

第五章结束语19

参考文献20

致谢21

附录一：

8279键盘接口22

附录二：

80C32接口例程23

第一章绪论

早期频率特性的测量用逐点测绘的方法来实现。

在整个测量过程中，应保持输入到被测网络信号的幅度不变，记录不同频率下相应输出的电压，根据所得到的数据，就可以在坐标纸上描绘出该网络的幅频特性曲线。

显然，这种方法不仅操作繁锁、费时，而且有可能因测量频率间隔不够密而漏掉被测曲线上的某些细节，使得到的曲线不够精确。

在各种电路测试中，常常需要对频率特性进行测试，那么频率特性表示什么呢？

实际上，它体现了放大器的放大性能与输入信号频率之间的依从关系。

某个网络（或系统）的频率特性，一般是指幅频特性。

能对频率特性进行观测的仪器是频率特性测试仪，简称扫描仪。

它是一种能在示波管屏幕上直接显示被测电路幅频特性曲线的图示测量仪器。

扫频测量法是将等幅扫频信号加至被测电路输入端，然后用示波器来显示信号通过被测电路后振幅的变化。

由于扫频信号的频率是连续变化的，在示波器屏幕上可直接显示出被测电路的幅频特性。

扫描电压发生器一方面为示波器X轴提供扫描信号，一方面又用来控制等幅振荡的频率，使其产生按扫描规律频率从低到高周期性重复变化的扫频信号输出。

扫频信号加至被测电路，其输出电压由峰值检波器检波，以反映输出电压随频率变化的规律。

扫频法利用扫描电压连续自动地改变频率，利用示波器直观地显示幅度随频率的变化，与点频测量法相比较，由于扫频信号频率是连续变化的，不存在测试频率的间断点，因此不会漏掉突变点，且能够观察到电路存在的各种冲激变化，如脉冲干扰等。

调试电路过程中，可以一边调整电路元件，一边观察显示的曲线，随时判明元件变化对幅频特性产生的影响，迅速查找电路存在的故障。

扫频仪又称频率特性图示仪，这是将扫频信号源及示波器的X-Y显示功能结合为一体，并增加了某些附属电路而构成的一种通用电子仪器，用于测量网络的幅频特性

本系统采用单片机作为控制器件。

单片机作为微型计算机的一个重要分支，它是以一个大规模集成电路为主组成的微型计算机。

由于单片机面向控制性应用领域，嵌入到各种产品之中，以提高产品的智能化，所以单片机又成为嵌入式微控制器。

在单片机内部含有计算机的基本功能部件：

CPU存储器、各种接口电路。

给单片机配上适当的外围设备和软件，便构成单片机的应用系统。

微型计算机具有运算速度快、精度高、方便灵活、适应范围广和可靠性高等特点。

作为其分支的单片机，由于特殊的硬件结构和指令系统，还具有以下突出特点：

●体积小、价格低、应用广

●通用性、灵活性强

●可靠性高、抗干扰能力强

●实时控制能力强

●应用开发周期短

本系统采用80C32。

80C32是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。

它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统。

80C32内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出（I/O）口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

但80C32片内并无程序存储器，需外接ROM。

此外，80C32还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。

80C32有PDIP（40pin）和PLCC（44pin）两种封装形式。

第二章频率特性基本测量方法

2.1频率特性的概念

频率特性是控制系统在频域中的一种数学模型，是研究自动控制系统的另一种工程方法。

根据系统的频率性能间接地揭示系统的动态特性和稳态特性，可以简单迅速地判断某些环节或参数对系统性能的影响，指出系统改进的方向。

频率特性可以由实验确定，这对于难以建立动态模型的系统来说，很有用处。

与传递函数一样，频率特性也是一种数学模型。

它描述了系统的内在特性，与外界因素无关。

当系统结构参数给定了，则系统的频率特性也完全确定。

当网络系统的电路结构和电路中的组件参数已知时，可以根据电路分析的方法，求得电路中各个状态变量，获得关于电路系统的完整信的准息。

然而在很多情况下，无法知道电路的详细结构，或无法获得电路中各个组件确参数，只能将所要分析的电路系统作为“黑箱”或“灰箱”处理。

例如，对于单输入单输出的二端口网络系统，可以通过传输特性和反射特性来描述，对于低频电路网络，若只关心电路系统的传输特性，可以用传输函数来描述。

系统的传递函数可以通过零输入和零状态响应来求得，而无需知道网络内部结构和参数等信息。

实际上，只需考察s平面上沿H（s）H（s）jω轴变化时的H（jω）即可，H（jω）就是系统的频率特性，它是H（s）的一种以频率ω为变量的图形描述方法，其物理意义非常明显，是实际中应用最多的系统特性的表示形式。

由于采用这种描述时，无须知道网络内部的结构和参数等信息，只需知道系统的输入与输出，而系统的输入输出又是可以通过测量来得到的，因而频率特性有着重要的理论价值和实用价值，在工程实践和科学实验中都有着广泛的应用。

通过测量网络的输入和输出经计算得到网络的的方法，就是获得频率特性的实验测试方法。

频率特性测试仪就是用来测试网络的频率特性的一种仪器。

H（jω）为频率响应或简称频响函数，是一个复数，由幅值和相位两部分构成，分别称为幅频特性和相频特性。

2.2频率特性两种测量基本方法的介绍和比较

测量H（jω）有两种基本的方法：

动态测量法和稳态测量法。

2.2.1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。

系统的传递函数定义为零状态函数与激励函数之比。

它们分别是时域中的零状态响应函数和激励函数的拉氏变换式，H（s）是系统特性在复频域中的表达式。

当s=jω时，R（jω）和E（jω）分别是响应和激励的傅立叶变换式，s=jω为系统特性在频域中的表达式，即频率特性。

实际应用中，经常将H（jω）表示为频率特性和相频特性两部分。

实际应用中，经常将H（jω）表示为频率特性和相频特性两部分。

（1）

（1）式中，模量|H（jω）|为其幅频特性，相角Φ（w）为相频特性。

如输入激励信号为e，输出响应r，系统的频率特性可以按式

（1）计算：

H（jω）=R（jω）/E（jω）

（2）

其中R（jω）和E（jω）分别为网络的输出信号r（t）和e（t）的傅立叶变换。

当输入激励为单位冲激函数δ（t），则输出为系统的单位冲激响应考虑到h（t）E（jω）恒等于1，于是就有式（3）

（3）

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。

采用这种方法时，要制作冲激脉冲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。

在实际应用中，不可能获得理想的δ（t）脉冲，但只要脉冲信号足够窄，能保证有足够的频带宽度即可。

由于窄脉冲的激励能量小，输出响应的信噪比小，因而影响测量精度。

但可采用重复激励的办法，将每一个激励输出相加，来提高网络输出的响应信号的信噪比，因为噪声为随机信号，在多次相加中将被互相抵消。

通常重复激励的次数可多达几十次。

对于窄带网络，其建立时间长，多次激励的方法将降低测试速度。

另一个问题是，宽带网络的输出响应信号频带宽，要求采用高速的A/D，这就限制了这种方法在高频领域的应用。

所以冲激响应测试法只被用于低频系统的测量中。

2.2.2稳态测量法

稳态测量法的被测系统为线性非时变网络，其测量过程是：

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Uo（t）=H（jω）sin（ωt+Φ（w））。

这种测量方法对于每一个特定的ω，通过被测网络后得到一个稳态响应，是一种稳态测量法。

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。

为了使每次测量输出电压时，被测系统输出响应达到稳态，无论是逐点改变频率，还是连续扫频，其频率的变化速度都不能太快，这是因为系统的输出响应与系统的建立时间有关。

系统建立时间的长短与系统的带宽成反比，即带宽越窄，过渡过程时间越长，测量时频率变化的速度应该越慢。

频率连续的变化通常称为“扫频”，因而也称采用这种方法测量频率特性的仪器为扫频仪。

2．2．3两种方法的比较

动态测量法，需要制作一个质量较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。

这种方法的好处是无需制作扫频信号源，也不必制作幅度检波和相位差检测电路，因而硬件工作量小，测量时间比较短，但对于高频信号来说，这种方法要求高的采样速率和大量的采样点数，计算量较大，且信噪比较低，因此测量精度很难做的很高。

这种方法一般只是被用于低频系统的测量中，例如电声系统，振动系统等。

稳态测量法适用于很宽的频段，需要制作一个频率可步进或可扫频的并符合相应指标要求的正弦信号源，需要制幅度检波器和相位差测量系统，仪器还包括扫频、检测和显示的同步控制部分，整个系统的硬件规模较大，数字，计算的软件工作量较小。

由于在被测网络可以接受的安全输入幅度限制内，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。

综合考虑上面两种方法的优缺点，我们选用稳态测量法。

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，而且第二种方法的精度更高。

第三章系统设计

3.1整体构思

实现扫描频率的步进调整、数字显示及被测网络幅频特性与相频特性数显等。

总框图如图1所示，该系统成本低，扫描频率范围为10HZ—1MHZ并可方便的与打印机连接实现频率特性曲线的打印。

图1系统总框图

3.2D/A转换器的设计

D/A转换器是将输入的二进制数字信号转换成模拟信号，以电压或电流的形式输出。

一般常用的线性D/A转换器，其输出模拟电压U和输入数字量D之间成正比关系，即U=KD，式中K为常数。

D/A转换器的一般结构如图2所示，图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号。

n位寄存器的并行输出分别控制n个模拟开关的工作状态。

通过模拟开关，将参考电压按权关系加到电阻解码网络。

图2D/A转换器结构

一般权电阻网络D/A转换器主要电路如图3所示：

图3D/A转换器

开关Si的位置受数据锁存器输出的数码Di控制，当Di=1时，Si将电阻网络中相应的电阻Ri和基准电压UR接通；当Di=0时，Si将电阻Ri接地。

权电阻网络由n个电阻20R~（2n-1）R组成，电阻值的选择应使流过各电阻支路的电流Ii和对应Di位的权值成正比。

例如，数码最高位Dn-1，其权值为2n-1，驱动开关Sn-1，连接的电阻Rn-1={2n-1-（n-1）}R=20R；最低位D0，驱动开关S0，连接的权电阻为R0=（2n-1-0）R=（2n-1）R。

因此，对于任意位Di，其权值为2i，驱动开关Si，连接的权电阻值为Ri=（2n-1-i）R，即位权（i）越大，对应的权电阻就越小。

集成运算放大器，作为求和权电阻网络的缓冲，主要是减少输出模拟信号负载变化的影响，并将电流转换为电压输出。

当Dn=0时V0=0，当Dn=11…11

，所以V0的变化范围是0～

。

而一般情况下要实现数字量的手动和自动调整，采用图4所示电路来实现。

图4D/A转换器电路图

3.3宽带功放

设计的宽频带大功率脉冲放大器模块，要求工作频段大于4个倍频程，而且输出功率大，对谐波和杂波有较高的抑制能力；另外由于谐波是在工作频带内，因此要求放大器模块具有很高的线性度。

针对设计要求，设计中射频功率放大器放大链采用三级三极管如图5所示，每级放大均采用AB类功率放大模式，且均选用推挽式，以保证功率放大器模块可以宽带工作。

另外为了展宽频带和输出大功率，采用传输线宽带匹配技术和反馈电路，以达到设计要求。

由于本射频功率放大器输出要求为大功率脉冲式发射，因此要求第一、二级使用的三极管应具备快速开关切换，以保证脉冲调制信号的下降沿和上升沿完好，减少杂波和谐波的干扰。

最后一级功放要求输出脉冲功率达到1200W。

图5宽带功放电路

3.4扫频信号源的设计

在频率特性测试仪的设计中，扫频信号源的质量具有重要的意义，无论是模拟式扫频仪，还是数字扫频仪，都要求扫频信号源具有线性压控的特性，且扫频波的输出幅度应是恒定的，不因频率或被测网络的改变而改变。

为此我们选用低线性误差的函数发生器ICL8038构成压控振荡器，如图6所示。

用D/A转换器提供控制电压，D/A转换器的输入数字量由单片机给出。

为了提高信号源的负载能力，我们将压控振荡器的输出信号送入一宽频带功率放大器，从而增大其驱动能力。

关于宽带功放电路已有很多优秀的器件或电路可供选用，此处不再赘述。

振荡器的振荡频率由图4中的定时元件R、C及控制电压决定。

当R和C一定时，改变ICL8038的⑧脚电压可改变振荡器的振荡频率。

实验表明，仅靠改变压控电压来改变扫频波的频率是不能满足测量要求的（频率范围太窄），为了扩展频率范围，我们采用了分档切换电容的办法。

电容C通过一电子开关接入单片机根据扫频波的频率值自动给出相应的开关量从而选择所接入的电容值，可使扫频频率范围扩展10HZ～1MHZ。

图6压控振荡器

图7ADC内部逻辑结构图

3.5A/D转换器

本系统所用A/D转换器为ADC0809，内部结构如图7所示：

1．主要特性

◆8路8位A／D转换器，即分辨率8位。

◆具有转换起停控制端。

◆转换时间为100μs。

◆单个＋5V电源供电。

◆模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

◆工作温度范围为-40～＋85摄氏度。

◆低功耗，约15mW。

2．内部结构

　　ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图图7所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近。

3．外部特性（引脚功能）

　　◆ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。

下面说明各引脚功能。

　　◆IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

　　◆2-1～2-8：

8位数字量输出端。

◆ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

◆ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

　　◆START：

A／D转换启动信号，输入，高电平有效。

　　◆EOC：

A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

　　◆OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

　　◆CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

　　◆REF（+）、REF（-）：

基准电压。

　　◆Vcc：

电源，单一＋5V。

◆GND：

地。

ADC0809的工作过程是：

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

3.6幅频特性与相频特性的测量与打印

扫频波频率的测量与显示由单片机完成，宽带功放输出的正弦信号经整形后送单片机供其测量并显示频率，用单片机完成这一任务已有较成熟的方法值得注意的是测频的时间间隔不是固定的（数显时时间间隔应较长，我们定为1S，因显示时必须延时一段时间才能便于观察）打印时，时间间隔较小，我们定为1ms，便于在较短时间内打印全频段数据，测频前信号的整形电路选用宽频带正弦波—矩形波变换电路。

如图8所示，场效应管源极跟随器的接入是为了消除变换电路对信号源的影响。

图8正弦波整形电路

在幅频特性的测量中，被测网络的输入信号幅度是已知的。

这在调整功放电路时调定。

只要测出被测网络输出信号的幅度，即可算得其增益（dB数），被测网络输出信号的幅度的测量由检波器，A/D转换器及单片机共同完成。

增益的计算和显示亦由单片机完成。

相频特性的测量与显示原理如下（被测网络的输入与输出信号先经整形电路变换为矩形波，再送入图9示测相逻辑电路中，图中UI和U0分别为被测网络的输入与输出信号电路中有关波形如图，如图10所示。

设异或门输出脉冲宽度为

信号周期为T，则输入与输出信号的相位差由式（4）求得：

（4）

图9测相逻辑电路

图10测相逻辑电路波形

式中的符号由A点电平决定，若A点为低电平则U0超前在UI在

前加+号，若A点为高电平则U0滞后UI，在

前加-号

与T的测量及（4）式的计算与符号的确定均由单片机自动完成。

上述幅频与相频特性的测量对频率而言是离散的，某一时刻只能看到某一频率下的增益或相移，为了获得连续的频率特性曲线，我们将全段内各频率下的增益或相移存放在单片机的外部RAM中，将单片机与打印机相连，将存放在外部RAM中的数据逐个送打印机打印，取得较好的效果。

单片机与打印机的接口电路如图11所示DB0～DB7为单向数据传输线，单片机通过此传输线将待打印的数据送给打印。

机

为数据选通信号，此信号上升沿时，数据线上位数据被打印机读入机内锁存并打印。

BUSY打印机的“忙”信号输出线，输出高电平表示打印机处于“忙”状态，此时单片机不得向打印机送入新的数据字节，当BUSY为低电平时，单片机将存在外部RAM中的数据送给打印机。

编制相应程序时，只要设置好打印机的控制字，并将增益或相移值作适当量化即可。

图11单片机与打印机的接口电路

3.7软件流程与系统调试要点

单片机最小系统构成如下：

单片机选用80C32，接口例程如附录二所示，键盘显示接口芯片选用8279如附录一，存储器选用EPROM1片（2K）和RAM1片（64K）。

地址冲突问题由片选信号解决。

A/D转换器选用14位ADC0809一片，可提高分辨率。

软件流程图如图12所示。

键盘分为数字键和功能键两种，数字键用来输入扫频频率起始及终止值等。

而功能键则用于幅频特性、相频特性的测量及打印等功能。

程序编制与电路调试中有几个值得注意的问题。

第一是切换定时电容后频率的重迭，解决的办法是通过对扫频频率的判断给出D/A所需的数字量，使扫频频率单值上升。

各电容的值通过实验定。

第二是步长问题，在数显功能下，步长不能太小，否则"观察一段频率范围的频响耗时巨大。

针对这一问题我们通