基于单片机的频率特性测试仪设计

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引言
　　频率特性测试仪也叫扫描仪，早期的频率特性测试仪是通过手动改变频率的方法逐点测量完成的，后来按照这种方法设计了专门的扫描仪用于频率特性的测量。早期的测量仪大都采用分立元件来实现各种功能，显示部分也是用传统的示波器。所以体积大、设备重、故障率高、操作复杂、价格昂贵，有的只能测量幅频特性，且精度不高。像BT6型超低频频率特性测试仪，就是采用分立元件。由于分立元件分散性大，参数变化与外部条件有关，因而产生的频率稳定度差、精度低、抗干扰能力不强，成本反而高。
　　随着频率合成技术及微电子技术的发展，频率特性测试仪也得到改进，扫频源采用数字量进行控制，数字化信号源可以弥补分立元件的不足，测量部分也进行了数字化的改进，大多都在低频段(小于1MHz)，测试仪的智能化程度仍然不是很高，扫频范围也不宽，相位测量精度也不高，虽然有一些测试仪也具有很高的精度和很宽的扫频范围，但是价格极其昂贵。
　　近几年，随着现代电子技术的飞速发展，各种仪器都偏向小型化、数字化、智能化、低功耗方向发展，频率特性测试仪作为一种重要的测量仪器，也在不断的发展，由于直接频率合成(DDS)技术的日益成熟，为频率特性测试仪的数字化开辟了道路，液晶显示器技术的成熟使频率特性测试仪小型化成为可能。
　　本文给出了数字式频率特性测试仪系统的硬件设计。采用DDS技术作为扫频信号源，同时采用了集成芯片CD4046对相位进行检测和用运算放大器CA3140及其外围模拟电路对幅度进行检测，用单片机AT89C52进行测量控制和数据处理，使用液晶显示器对测量结果进行图形显示。
　　系统设计
　　该系统要满足性能指标为扫频范围在100Hz～100kHz;频率稳定度10-4;测量精度为5%;输出阻抗50 ;相位测量精度小于1度;能在全频范围内自动步进测量，能够预置测量范围及步进频率值。能显示幅频特性和相频特性曲线，并能根据选择，放大局部曲线，用对数坐标和线性坐标显示，并配有文字标注。
　　根据所要完成的测试功能及性能指标，该系统由信号源电路、增益相位检测电路、控制及数据处理电路和图形显示及接口电路四部分组成，系统框图如图1所示。


　　信号源电路由信号发生器发生电路和信号调理电路两部分组成。本系统中信号发生电路采用DDS技术实现，能够产生频率、持续时间等都是可控的扫频信号，并能够满足一般用户对频率范围的要求;信号调理电路主要是对信号中的噪声进行抑制，并对输出信号的功率起到控制作用。
　　增益相位检测电路是为了检测被测网络两端的幅度差和相位差。先对被测网络两端的信号进行预处理，再对其进行模拟检幅和鉴相，然后把幅度差和相位差的模拟量由ADC0809转化为数字量，送给控制及数据处理电路进行分析处理。

       控制及数据处理电路要完成逻辑控制、数据处理和与人机接口三个功能，由单片机AT89C52完成。主要用于控制整个系统的协调工作，并对测量及人机接口部分的数据进行分析处理。
　　图形显示及接口电路负责接收各种指令和显示测量结果，例如，显示扫频率信号所需要的起始频率、终止频率、频率间隔、单频点持续时间等参数，以及测量结果。
　　信号源电路
　　扫描信号源框图如图2所示。输出为正弦波形，频率、幅度可数控。振荡电路主要是为AD9851提供参考时钟，通过对AD9851写入不同的控制字使AD9851输出的扫频信号满足不同情况的测试要求。
　　AD9851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，故要对其输出信号进行滤波处理。
　　相频特性测试电路
　　如图3所示，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CD4046锁相环的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。


　　幅频特性测试电路
　　如图4所示，采用有源峰值检波器实现峰值测量，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。
　　在系统中采用二极管包络检峰法。利用二极管幅度检测的方法，得到信号的正峰值。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。因此采用此方案。利用检波二极管4088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CA3140调整比例系数以便于单片机采样。电路如图5所示。
　　结语
　　设计了一个基于单片机频率特性测试仪的成品。该系统基本达到了全数字化，这有利于缩小仪器的体积、减轻重量、降低成本，为用户携带提供了方便。