摘  要： 以低頻網(wǎng)絡(luò)為分析對(duì)象，采用數(shù)字式掃頻的方法設(shè)計(jì)了低頻掃描分析儀系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由微控制器、掃頻信號(hào)源、低通濾波器、幅度控制和峰值檢波5個(gè)模塊組成。其中掃頻信號(hào)源以DDS專用芯片AD9833為核心構(gòu)成，峰值檢波采用運(yùn)算放大器和分立元件構(gòu)成。系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫，能方便地進(jìn)行修改和移植。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)在50 Hz到20 kHz頻率范圍內(nèi)能夠?qū)Ρ粶y(cè)網(wǎng)絡(luò)的增益及±3 dB的帶寬進(jìn)行測(cè)量，最小掃頻頻率步進(jìn)可以達(dá)到0.1 Hz，測(cè)量誤差小于5%并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。

　　關(guān)鍵詞： AD采樣；峰值檢測(cè)；直接數(shù)字信號(hào)合成

0 引言

　　在電子測(cè)量中，經(jīng)常遇到對(duì)未知網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性進(jìn)行測(cè)量的問(wèn)題，其中傳輸特性包括增益、衰減特性、幅頻特性等。而且很多時(shí)候，對(duì)于被測(cè)量系統(tǒng)，無(wú)法知道其電路的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)確參數(shù)。此時(shí)，只能將待測(cè)電路作為黑箱來(lái)處理，然后通過(guò)輸入、輸出的傳遞函數(shù)來(lái)描述系統(tǒng)的內(nèi)在特性。掃頻儀就是用來(lái)測(cè)量前述黑箱傳輸特性的儀器，它為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整、校準(zhǔn)及故障的排除提供了極大的方便。目前，國(guó)內(nèi)低頻掃頻儀產(chǎn)品較少、價(jià)格較高，而且大多依然采用傳統(tǒng)的模擬顯示方式。這樣既不方便，也很難讀準(zhǔn)確，而且很多掃頻儀由于沒(méi)有增益可調(diào)網(wǎng)絡(luò)，因此量程較小[1]。另外傳統(tǒng)的掃頻儀掃頻范圍廣、實(shí)時(shí)性高，但由于其掃頻信號(hào)的產(chǎn)生通常通過(guò)頻譜搬移的方法，這造成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能不佳，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)[2]，很多時(shí)候只能在低頻段使用掃頻儀，因此值得去研究一種更簡(jiǎn)單和適合工作于低頻段的掃頻儀。本文研究并設(shè)計(jì)了一種新穎的頻率特性測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)C8051F020控制直接頻率合成（DDS）芯片AD9833直接產(chǎn)生掃頻信號(hào)，通過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后再由單片機(jī)A/D 轉(zhuǎn)換進(jìn)行峰值采樣，最后對(duì)數(shù)據(jù)處理后由液晶輸出掃頻曲線。系統(tǒng)采用直接數(shù)字頻率合成器的基本優(yōu)點(diǎn)是在微處理器的控制下，能夠準(zhǔn)確而快捷地調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的頻率、相位和幅度。此外，DDS具有頻率和相位分辨率高、頻率切換速度快、易于智能控制等突出特點(diǎn)，同時(shí)也解決了傳統(tǒng)掃頻儀性能不佳的問(wèn)題。

1 低頻掃描儀的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　通過(guò)參考文獻(xiàn)[3-5]可知，掃頻儀的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于掃頻信號(hào)源和檢波器的設(shè)計(jì)。根據(jù)選用數(shù)字控制芯片的不同可以分為動(dòng)態(tài)測(cè)量法和穩(wěn)態(tài)測(cè)量法。對(duì)于前者，可選用DSP控制器，但是價(jià)格比較昂貴；后者選用單片機(jī)控制即可?？紤]到成本問(wèn)題，在本設(shè)計(jì)中選用穩(wěn)態(tài)測(cè)量法設(shè)計(jì)。穩(wěn)態(tài)測(cè)量法的原理框圖如圖1所示。該方法是運(yùn)用響應(yīng)信號(hào)與輸入信號(hào)的幅值比來(lái)反映網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性。本方案由微控制器C8051F020控制DDS掃頻源產(chǎn)生掃頻信號(hào)，經(jīng)低通濾波器平滑濾波后，再由多路模擬開關(guān)和運(yùn)算放大器來(lái)控制信號(hào)的幅度，最終產(chǎn)生幅度可控的掃頻信號(hào)。掃頻信號(hào)經(jīng)過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后，通過(guò)峰值檢波電路可以得到掃頻信號(hào)實(shí)時(shí)的峰峰值。最后進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換器的信號(hào)就是反映被測(cè)網(wǎng)絡(luò)幅頻特性的信號(hào)。經(jīng)ADC進(jìn)行采樣處理，最后由微控制器處理將計(jì)算結(jié)果送到液晶顯示器顯示，這樣被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性就直觀地顯示出來(lái)了。

2 低頻掃描儀系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 供電電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)系統(tǒng)性能的要求，需要設(shè)計(jì)±5 V和+3.3 V的直流穩(wěn)壓電源，而且要求電源的紋波應(yīng)盡量小，以減少對(duì)輸出信號(hào)的干擾。電源采用橋式全波整流、大電容濾波和三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓的方法產(chǎn)生±5 V和+3.3 V直流電壓，固定輸出的三端穩(wěn)壓芯片為L(zhǎng)M7805和LM7905。穩(wěn)壓管的輸出通過(guò)電容和電感濾波；數(shù)字部分與模擬部分用電感隔離，這樣就可以得到紋波系數(shù)很小的直流電壓，其中±5 V供電具體電路如圖2所示。

　　2.2 掃頻信號(hào)電路設(shè)計(jì)

　　為產(chǎn)生任意波形，使用了直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS），在這里采用DDS專用芯片AD9833，它具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、頻率穩(wěn)定度高、輸出相位連續(xù)、相位噪聲低、可編程、頻率步進(jìn)小、全數(shù)字化和功耗低等優(yōu)點(diǎn)。其最高輸出頻率是12.5 MHz，主頻時(shí)鐘為25 MHz時(shí)，精度達(dá)到0.1 Hz，完全滿足系統(tǒng)的要求。AD9833通過(guò)SPI總線接口可以方便地與單片機(jī)連接，同時(shí)AD9833外圍電路少，調(diào)試簡(jiǎn)單，符合本設(shè)計(jì)要求。要產(chǎn)生正弦信號(hào)，本部分電路使用25 MHz有源晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘（MCLK），同時(shí)通過(guò)0.1 ?滋F和4.7 ?滋F的電容濾掉輸出信號(hào)中的直流成分。Ne5532是TI公司的一款高性能運(yùn)算放大器，其增益帶寬積為10 M，壓擺率達(dá)到13 V/?滋s，連接成同相放大方式作為緩沖輸出，以增強(qiáng)信號(hào)源的輸出能力。同時(shí)，外接50 Ω電阻保證連接板的熱插拔[6]。具體電路如圖3所示。

　　2.3 低通濾波電路設(shè)計(jì)

　　圖4是二階低通濾波器電路，截至頻率為30 kHz，其中R9=R10=R，C15=C16=C。令：

　　通過(guò)計(jì)算可知濾波器傳輸函數(shù)為：

　　通過(guò)以上計(jì)算知道，該濾波器對(duì)高頻信號(hào)衰減滿足系統(tǒng)要求。另外由相關(guān)理論知識(shí)可知，當(dāng)Q值為0.707時(shí)濾波器在通帶的平坦性最好。根據(jù)系統(tǒng)的要求，設(shè)定Q值為0.707，此時(shí)，AVF=1.585。取Rf =30 k，可得R1=51 k。又因截止頻率為30 kHz，取R=15 k，C=270 pF，c=1/RC≈30 kHz。

　　2.4 增益控制電路設(shè)計(jì)

　　由于被測(cè)網(wǎng)絡(luò)中包含有源網(wǎng)絡(luò)、無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，而且本課題要求的增益范圍為-20 dB-+20 dB，要保證掃頻信號(hào)通過(guò)待測(cè)電路后不發(fā)生失真，同時(shí)使得輸入到ADC的信號(hào)能在可測(cè)量的范圍內(nèi)，就必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行不同規(guī)模的放大或衰減。本系統(tǒng)采用電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)合運(yùn)放的方式來(lái)達(dá)到程控衰減的目的。掃頻信號(hào)輸出峰-峰值為1 V，而待測(cè)網(wǎng)絡(luò)最大增益20 dB，因此在信號(hào)輸入到待測(cè)網(wǎng)絡(luò)前需進(jìn)行程控衰減。本系統(tǒng)的ADC采用單片機(jī)內(nèi)部集成的AD轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器最高輸入電壓是3.3 V，因此設(shè)計(jì)成兩次信號(hào)衰減。信號(hào)衰減采用電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬開關(guān)配合來(lái)實(shí)現(xiàn)。MAX4711是美信公司生產(chǎn)的雙四通道模擬開關(guān)，其導(dǎo)通內(nèi)阻為16 Ω，開關(guān)速度80 ns。支持CMOS和TTL電平，因此符合設(shè)計(jì)要求。電阻網(wǎng)絡(luò)增益范圍為-12 dB~+14 dB（-4～+5倍），輸入到AD轉(zhuǎn)換器的電壓為0.5 V～2.5 V，符合AD的輸入要求[7]，其具體電路如圖5所示。

　　2.5 峰值檢波電路設(shè)計(jì)

　　圖6為峰值檢波電路的原理圖，其中，交流信號(hào)從運(yùn)放的3腳輸入，根據(jù)運(yùn)放的虛短法則引腳2具有與引腳3同樣的波形；U1B是電壓跟隨器，引腳7的電壓幅值與電容C1上的電壓相同。當(dāng)引腳3的電壓大于電容C1電壓時(shí)，電阻R1上產(chǎn)生壓降，電流從左到右。根據(jù)運(yùn)放的虛斷法則引腳2不能提供電流，并且D1反偏也不會(huì)導(dǎo)通。為了維持平衡只有提升R1右端的電壓（即電容C1的電壓），這個(gè)充電電流從U1A的引腳1經(jīng)過(guò)D2進(jìn)行。當(dāng)引腳3的電壓低于電容C1電壓時(shí)，電阻R1上產(chǎn)生壓降，電流從右到左。根據(jù)運(yùn)放的虛斷法則引腳2不能提供電流，則這個(gè)電流只有經(jīng)過(guò)D1進(jìn)入U(xiǎn)1A。由于電壓跟隨器輸出電壓與電容C1上的電壓相同，二極管D2截止，電容不能導(dǎo)過(guò)D2放電，電壓得到保護(hù)。

　　2.6 系統(tǒng)控制算法軟件實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的思想是采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，良好的軟件流程不僅可以減少掃描時(shí)間更可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此將系統(tǒng)軟件劃分為信號(hào)源模塊、AD采樣和人機(jī)對(duì)話3個(gè)模塊。全部原代碼均使用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫，并附帶有詳細(xì)的注釋，增加了本系統(tǒng)軟件的可讀性和可移植性[8]。主程序流程圖如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　3.1 技術(shù)指標(biāo)

　　基本測(cè)試頻率范圍為50 Hz～20 kHz；測(cè)試出±3dB帶寬，測(cè)量精度優(yōu)于5%；所測(cè)電壓增益范圍為-20 dB~+20 dB；被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸增益測(cè)量精度優(yōu)于5%。

　　3.2 測(cè)量結(jié)果及分析

　　在電路班焊接完畢之后，首先核對(duì)器件有無(wú)焊錯(cuò)，特別是電容正負(fù)極和芯片不要焊反。然后使用萬(wàn)用表測(cè)量電源電路和信號(hào)線有無(wú)短路現(xiàn)象。這一步非常重要，為后續(xù)步驟提供重要保障。確認(rèn)無(wú)誤后，連通信號(hào)板的電源，使用示波器檢測(cè)有源晶振的輸出是否為25 MHz，并觀察波形是否失真。測(cè)試表明，晶振輸出正常。下一步將信號(hào)板與單片機(jī)連接，運(yùn)行信號(hào)程序，用示波器觀測(cè)信號(hào)輸出測(cè)試點(diǎn)輸出信號(hào)是否符合設(shè)定值。表1所示為信號(hào)源在各個(gè)設(shè)定的頻率輸出及誤差分析。從表1可以看出，實(shí)際輸出頻率與設(shè)定頻率誤差非常小，基本可以忽略不計(jì)，為后續(xù)參數(shù)測(cè)量的成功奠定了基礎(chǔ)。

　　通過(guò)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器依次輸入頻率為10 Hz～30 kHz以及峰-峰值為0.5 V的正弦信號(hào)，觀察通過(guò)低通濾波器后的信號(hào)峰值，記錄如表2所示。由表2可知，該低通濾波器在20 Hz到20 kHz的測(cè)量誤差均小于5%，精度滿足設(shè)計(jì)要求。

　　峰值檢測(cè)分兩步進(jìn)行，首先從測(cè)試點(diǎn)依次輸入Vp-p為0.5 V~3 V的1 kHz正弦信號(hào)，在輸出端測(cè)量電壓峰值并記錄。然而依次從測(cè)試點(diǎn)輸入頻率為50 Hz到    20 kHz，峰值為1 V的正弦信號(hào)，在輸出端測(cè)量記錄，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，峰值檢測(cè)電路在不同頻率、不同電壓幅度下均能很好地工作，測(cè)量誤差小于5%，達(dá)到系統(tǒng)對(duì)誤差設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)C8051F020的數(shù)字控制低頻掃描儀，完成了掃頻信號(hào)、增益控制、峰值檢測(cè)部分的硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行功能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)完全滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)采用的C8051單片機(jī)工作頻率有限，導(dǎo)致掃描時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此在改進(jìn)該系統(tǒng)時(shí)可以考慮采用ST32等主頻更高的嵌入式芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外液晶顯示部分可以考慮采用分辨率更高的LCD來(lái)顯示，這樣對(duì)于幅頻特性顯示效果更好。

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