频率特性测试仪报告

频率特性测试仪设计报告第三组电子设计竞赛论文电气及其自动化工程学院题目：频率特性测试仪第三组组员：陈吉洋杨在然周佳佳频率特性测试仪设计报告第三组【摘要】该频率特性测量仪采ARM控制核心，主要由正弦波发生器、数据采集存储、处理、显示、打印等功能模块组成，其中，数据处理包括了幅频测量以及相频测量部分。实际操作通过ARM触屏控制来实现幅频特性和相频特性的测量，包括参数预置、点测结果的显示，以及用模拟示波器单独或同时显示幅频特性曲线和相频特性曲线。本系统采DDS芯片9834实现信号发生电路，频率值与步长均能灵活准确地预置。被测网络采用有源带阻双T网络，中心频率及带宽均达到要求。【关键词】DDSARM应用双T网络有源滤波峰值检测鉴相一、系统设计方案1.系统总体方案的设计与选择1）方案一：采用DSP方式首先给被测网络一个能量脉冲信号X（t），然后分别对被测网络的输出Y（t）和原信号X（t）进行采样，通过对采样数据进行FFT而分别得到Y（jw）和X（jw），两者的比值即为H（jw）。当输入为单位冲击函数)(t时，则输出为系统的单位冲激响应)(th，由于)(jE恒等于1，于是就有dtethjHtj0)()(由此可得幅频特性和相频特性完整的信息。方案说明：采用这种方法时要制作冲激响应)(t，并对输出响应进行数据采集，再对采集的数据进行FFT以得到)(jH。但在实际应用中，不可能得到理想的)(t脉冲，虽然脉冲信号足够窄的信号可以代替)(t，但是比较难以获得。而且此测试方法对软件的计算能力要求比较高，必须采用微机系统，故不采用。2）方案二：直接利用已有信号源给系统，比较输入输出首先设计一个扫描信号源，输出频率可步进的正弦信号，作为被测网络的输入信号Vi，网络的输出信号为Vo，信号源输出的频率按步进值递增，在各个频率点上，通过对幅度有效值的测量和A/D就可以得到Vo和Vi的有效值，两者之比就是该点的频率响应；对Vo和Vi进行过零比较、整形，再进行相位差的测量。Vi的上升沿启动计数，Vo的上升沿停止计数，得到的时间值比上信号的周期，就是该点的相位响应。方案说明：该方案可利用ARM工具，减少了硬件电路，并且频率可调的信号易于得到，可实现性明显比方案一高。所以，综合比较，最终选择方案二。2.扫频信号源方案的设计与选择1）方案一：单片函数发生器利用单片函数发生器配合外部分立元件输出频率，通过调整外部元件可改变输出频率。方案说明：发生器输出频率稳定度差、精度低、抗干扰能力低、灵活性差，成本也高。频率特性测试仪设计报告第三组2）方案二：采用锁相环（PPL）频率合成技术晶振程序分频器压控振荡器低通滤波器鉴相器frfdfo（图1.PPL原理图）通过改变程序分频器的分频比，则可改变压控振荡器的输出频率fo，从而获得大量可供利用的频率稳定度等同于参考频率的频率点，这里输出频率fo只能以参考频率fr为步长进行变化。方案说明：现有集成PLL的VCO一般都产生方波，而不是正弦波，而且在不改变VCO电容的情况下，要达到100HZ～100KHZ的频率范围有很大困难，所以我们不予采用。方案三：采用DDS产生编程控制的信号源参考频率相位累加器滤波D/A转换器波形存储器频率控制字K输出（图2.DDS原理图）将输出波形的一个完整周期幅度值按相位步进顺序量化存储于EEPROM中，利用相位累加技术生成地址查询高速存储器中存储的波形幅值，再以均匀速率把这些样本输出到数模转换器变换成模拟信号，由一个周期输出样本个数决定输出频率的大小。方案说明：DDS可以高精度与高纯度的频率信号，理论上只要累加器的位数足够多，可以实现任意小的频率步进。频率分辨率很高，离散输出已十分接近连续变化。对相位累加器预置累加初值可以很方便地实现精密相位调节。所以，综合比较采用方案三。3.被测双T网络的设计与选择1）方案一：采用无源阻容双T网络无源双T网络的中心频率f=12πRC，可以达到题目要求的5KHz，但是其Q值很小。而根据题目要求，其Q=5K/100=50,无源网络不能满足其要求，所以必须使用有源双T网络。频率特性测试仪设计报告第三组（图3.无源双T电路图）2）方案二：采用有源阻容双T网络VinVoR31.8KΩR31.8KΩR/215.9KΩ(1-K)R10.82KΩKR1163KΩC100pFC100pF2C200pF+-+-+12V+12V-12V-12V32742374LF356LF356（图4.有源双T电路图）这是一个有源双T网络，中心频率为fo=1/2RC，电路的Q值为Q=1/4(1-K),频率特性方程为H(w)=(20w-2w)/[20w+j40ww(1-K)-2w]，通过改变两个电阻的阻值来改变K和Q的值。所以，综合比较采用方案二。4.幅频特性测量的方案与选择1）方案一：二极管峰值检测法RRCCR/22C频率特性测试仪设计报告第三组2.4KΩ2.4KΩ2.4KΩ1.2KΩ3MΩ1N41481N41480.01uF++--LF356LF356+12VUinUout+12V-12V-12V（图5.二极管峰值检测电路图）由电压跟随器和二极管电路组成，其工作原理为：当输入电压正半周通过时，检波管导通，对电容C充电，使电容上的电压逐渐趋近于峰值电压。只要RC足够大，可以认为其输出的直流电压数值上十分接近于交流电压的峰值。而在其它时段电容C上的电压将对电阻R放电。利用检波二极管对输出信号检测，得到与信号峰值成比例关系的直流信号，在经过运算放大器调整比例系数以便于单片机采样。方案说明：此法检测的信号范围小，但精度高，能够满足该系统的幅频特性的测试要求。并且电路简单，经典易用。但是本题由于经过带阻网络，并且扫频变化很快，所以要求检测能够很快跟随，这点很难实现。2）方案二：基于AD637的有效值检测AD6371234567891011121314BUFFINBUFFOUTNCVinCOMNCOFFSET+VsCS-VsINPUTVoutdBOUTCAV10uF10uF+12V-12V24KΩ24KΩ+5V+12V-12V0.22uF+12V-12VTL072TL072InPutOutPut+--+（图6.基于AD637的有效值检测电路）采用集成真有效值变换芯片，测量被测信号的真有效值，然后换算为幅值这样可以实现对正弦波的幅值测量。AD637是一块高精度单片真有效值转换器，可以计算各种复杂波形的真有效值，采用了峰值系数补偿，量程在0~7V范围内可调，在测量峰值系数高达10的信号时附加误差仅为1%。而且外围元件少，频带宽，频带宽度在2V输入时可达8MHZ。方案说明：芯片AD637精度很高，稳定性好，快速变化能力比方案一强。所以，综合比较采用方案一。频率特性测试仪设计报告第三组5.相频特性的测量与选择A.相频测试总体方案1）方案一：积分法将异或鉴相器的异或输出脉冲送至积分器积分，当积分电压达到一定值时再通过一个回路放电，并测量充放电的时间T1，T2。根据其比值算出其相位差。方案说明：这种方案测量精度高且与被测信号的频率关系不大，可以测量高频信号间的相位差。但这种方法对积分电路和充放电时间的要求较高，因此不采用。2）方案二：计数法将输入和输出信号分别经过过零比较器后对其输出方波进行异或操作。所得脉冲的占空比既能反映被测信号相位大小。测量异或脉冲的周期为T，假设其高点平时间为Th，给一个基准高频脉冲，T与Th内基准脉冲的数目分别为M、N，则信号的相位差则为ψ=(N/M)*360°。方案说明：该方案实现电路简单，易于ARM编程实现。3）方案三：低通滤波法将输入和输出信号分别经过过零比较器后对其输出方波进行异或操作。将此异或输出信号微分得到两个对应被测信号负向过零瞬间的尖脉冲，利用非饱和型高速双稳态电路被这两组负脉冲所触发，输出周期为T、宽度为TX的方波，若方波幅度为Ug，则此方波的平均值即直流分量可得。用低通滤波器将方波中的基波和谐波分量全部滤除后，输出电压即直流电压。上式中T为被测信号的周期，TX由两信号的相位差x决定。TX与x的关系为：22360xxxxxTTTwf。若A/D的量化单位取为Ug/3600,则A/D转换结果即为x的度数。方案说明：硬件电路复杂，若输入信号频率变化，则不可行。不采用。所以，综合比较采用方案二。B.超前滞后判断方案1）方案一：用与门将异或输出信号与信号源产生的方波信号相与，若输出超前，相与后结果的下降沿到来时，U为低；若输出滞后则为低。方案说明：虽然方案简单但够直观。频率特性测试仪设计报告第三组2）方案二：用D触发器判断将整形后的被测网络输入信号Ui加到D触发器D端，将整形后的被测网络输出信号Uo’加到触发器的CP端，如图所示，若Uo’超前Ui’，则对应Uo’上升沿处，Ui’为0，则D触发器输出为0。反之，Uo’滞后Ui’，则D触发器输出为1，将其输出送往单片机，即可判断相移的超前与滞后。Ui’(D)Uo’(CP)QUi’(D)Q超前滞后“1”“0”Uo’(CP)“1”Ui’(D)Uo’(CP)Q74ls74A(图（图7.D触发器波形图)方案说明：方案简单直观以实现。所以，综合比较采用方案二。二、系统框图及电路图1.扫频信号框图50MHz晶振DDS芯片AD9834低通滤波器LPF单片机STM32扫频信号输出扫频信号输出（图8.扫频信号源框图）框图说明：输出为正弦波形，频率、幅度可数控。振荡电路主要是为AD9834提供参考时钟，通过对AD9834写入不同的控制字使其输出的扫频信号满足不同情况的测试要求。AD9834所产生的信号直接由器件内部的DAC输出，内部不含低通滤波器，故对其输出信号进行滤波处理。并且使其输出电压为恒定值1V，这频率特性测试仪设计报告第三组样，峰值检测环节信号源的幅值就可以固定不变。2.峰值检测框图信号源被测网络真有效值检测真有效值检测A/D单片机（图9.峰值检测原理框图）框图说明：峰值检波器将被测网络的输入和输出信号的峰值检出，再送至A/D转换器完成量化。实际上，由于信号源的D/A及低通滤波器的特性能保证在100Hz～100kHz范围内的幅值保持不变，所以可以省去一路峰值检波器及A/D，而只采集被测网络的输出信号。3.相频检测框图信号源被测网络电压比较器电压比较器鉴相器低通滤波器A/DUiˊUiˊUoˊUoˊUiUiUoUo（图10.相频检测原理框图）框图说明：鉴相电路将输入和输出信号分别通过电压比较器整形为方波，然后送鉴相器，经过低通滤波器取出直流成分，得到被测网络相移信号，送A/D进行数据采集。本电路采用异或鉴相器进行鉴相。但是其只能给出相移的大小信息，无法判断超前与滞后。因此，需要另加一个相位移极性判别电路。4.系统总体框图ARMDDS正弦波信号发生器过零比较器过零比较器鉴相器双T型网络峰值检测电路A/D显示键盘D/A波形输出频率特性测试仪设计报告第三组（图11.系统总体框图）5.软件部分流程图开始初始化触摸屏设置扫频上下限频率扫频步进设置控制AD9834产生扫频信号A/D转换检测通过被测网络的信号峰值调用TFT显示子程序、显示频率及相应频率下的幅值定时器计数计算出相位值调用TFT显示子程序显示频率相位D/A转化将幅频相频特性曲线显示在示波器上结束（图12.系统软件流程框图）三、理论分析计算、仿真及电路图1.信号源产生电路参数计算频率特性测试仪设计报告第三组在相位累加器字长一定的情况下，改变频率控制字K或者参考时钟clkf，可以改变输出频率outf，它们之间的关系为：/2NoutclkfKf其中，N为相位累加器位数。当频率控制字K=1时，可得DDS的最低输出频率为：/2Noutclkff，此即DDS的频率分辨率。采用AD9834数字合成正弦波，频率步进可调，上下限可调。AD9834IOUTBIOUTAGNDVINSIGNBITOUTFSYCSCLKSDATASLEEPRESETFSADJUSTREFOUTCOMPAVDDDVDDCAPDGNDMCLKFSELECTPSELECTIO