简易频率特性测试仪最终报告

2013年全国大学生电子设计竞赛简易频率特性测试仪（E）2013年9月7日I摘要该频率特性测量仪采用DDS控制核心外加乘法电路、滤波电路、AD转换电路、以及测量电路。主要由正交扫频信号发生器、乘法器、低通滤波器、AD转换、显示等功能模块组成。在本系统中利用51单片机控制DDS芯片AD9854实现信号发生，从而达到输出频率、相位、幅度可控的正交扫频信号。然后，制作一个频率特性测试仪，用来测量产生的扫频信号的有关信息，并正确显示。为了了解检测电路的特性，最后做一个RLC被测网络。使用测量电路测量被测网络的有关电器参数，同时可以通过对电路优化来提高该测量仪的测量精度。关键字：DDSAD9854正交扫频II目录1系统方案...................................................................11.1正交扫频信号源的论证与选择........................................................................................11.2相频特性的论证与选择....................................................................................................21.3幅频特性的论证与选择....................................................................................................32系统理论分析与计算.........................................................42.1系统总体方案的分析......................................................................................................42.1.1采用DSP方式.......................................................................................................42.1.2直接利用已有信号源给系统，比较输入输出.....................................................52.2有关零中频原理的计算.....................................................................................................53电路与程序设计.............................................................63.1电路的设计.........................................................................................................................63.1.1系统总体框图..........................................................................................................63.1.2扫频信号子系统框图与电路原理图.....................................................................73.2程序的设计.........................................................................................................................83.2.1程序功能描述与设计思路......................................................................................83.2.2程序流程图..............................................................................................................94测试方案与测试结果........................................................10附录1：电路原理图..........................................................11附录2：源程序..............................................................12参考文献.........................................................................................................................................181简易频率特性测试仪（E题）【本科组】1系统方案本系统主要由信号发生器模块、乘法电路模块、解调模块、显示测量模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1正交扫频信号源的论证与选择方案一：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。缺点：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。方案二：锁相环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1.1PPL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。缺点：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1MHZ～40MHZ的频率范围有很大困难，所以我们不予采用。方案三：DDS产生编程控制的信号源2参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1.2.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。缺点：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。综合以上三种方案，选择方案三。1.2相频特性的论证与选择方案一：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。缺点：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。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°。该方案实现电路简单，易于ARM编程实现。方案三：低通滤波器3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。最终我们选择方案三1.3幅频特性的论证与选择方案一：二极管峰值检测法2.4KΩ2.4KΩ2.4KΩ1.2KΩ3MΩ1N41481N41480.01uF++--LF356LF356+12VUinUout+12V-12V-12V图1.3二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。方案二：基于AD637的有效检测4AD6371234567891011121314BUFFINBUFFOUTNCVinCOMNCOFFSET+VsCS-VsINPUTVoutdBOUTCAV10uF10uF+12V-12V24KΩ24KΩ+5V+12V-12V0.22uF+12V-12VTL072TL072InPutOutPut+--+图1.4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，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。综合以上两种方案，选择方案二。2系统理论分析与计算2.1系统总体方案的分析2.1.1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5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。2.1.2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