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。
 

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