大学生电子设计竞赛简易频率测试仪.doc

2013年全国大学生电子设计竞赛 简易频率特性测试仪（E题）【本科组】 2013年9月7日 摘要 本设计主要由扫频信号发生器电路、C8052微控制器、芯片AD9854、幅度和相位检测电路、键盘及显示等部分组成。利用C8052微控制器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，使这种测试仪设计简单，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；测试仪；频率特性 目录一.系统方案论证与比较4二.理论分析与计算52.1 系统原理52.2 滤波器设计62.3 ADC设计7三.电路与程序设计73.1电路设计73.2程序设计8四.测试方案与测试结果8五.总结8一系统方案论证与比较 方案一 ：采用动态测量法，即冲击响应测量的方法。如图1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(j)和R(j)，则系统的频率特性H（j）可用式（1）计算： H（j）R(j)/ E(j) （1）图1 冲击响应测量原理图当输入激励函数e(t)单位冲激函数(t)时，则输出为系统的单位冲激响h(t)，由于（1）式中的E(j)恒等于1，于是就有公式（2）。 （2）计算得到的H (j)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(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。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。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：采用稳态测量法，即扫频法。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。由微控制器C8052控制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。这种方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。 方案选择： 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。二理论分析与计算 2.1 系统原理稳态测量法的被测系统为线性非时变网络。如图2所示。 图2 稳态测量法原理 图2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) = sint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(j)sin(t+(w)。这样对于每一个特定的，通过被测网络后得到一个稳态响应（上图b所示）H(j)，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 滤波器设计如图3所示是一个5阶的低通椭圆滤波器.此椭圆滤波器的通带频率为400MHZ,通带波纹为1dB.它的频率响应参见图4图3 低通椭圆滤波器 图4 椭圆滤波器的频率响应 2.3 ADC设计 图5三 电路与程序设计 3.1电路设计被测网络幅度和相位检测电路 键盘C8052微控制器液晶显示图6 电路总体框图扫频信号发生器3.2程序设计 四测试方案与测试结果 我们对该系统进行测试，所达到的性能指标如下：(1)具有正交或同相两路信号同时输出的能力;(2)扫频范围：1MHz20MHz(3)扫描速率：100Hz/s10MHz/s(4)扫描步进分辨率：1Hz五总结 频率特性是分析系统频率的重要方法，稳态测量法测量系统的频率特性在现代电子测量中占有重要的地位。本文是设计一种简易型的测试仪，体积较小，性价比高，能显示频率特性曲线。 在对测试仪研究现状进行分析，确定了系统的主要性能指标并提出了系统设计的总体方案。到现在为止，主要完成了以下工作： 1.对设计的要求进行分析，确定了本数字扫频仪的主要性能指标。 2.对频率特性的测试方法进行研究并分析比较，确立使用扫频法并提出系统设计的总体方案。 3.完成了扫频信号发生器电路、C8052微控制器、芯片AD9854、幅度和相位检测电路、键盘及显示电路的硬件设计，并分别对各个模块进行了测试。 目前，本设计跟规定的频率特性测试仪的要求还有很大的差距，许多功能还没有实现。在已完成的软、硬件设计中也有很多需要改进的部分。对各项技术指标的提高、诸多功能的完善尚有待进一步的研究和开发。