数字式频率特性测试仪设计

1、第卷第期四川轻化工学院学报年月 文章编号：（）数字式频率特性测试仪设计孙 静，周 志（四川轻化工学院电子与信息工程系，四川自贡）摘要：介绍了以单片机与频率合成器构成的频率特性测试仪。它与机通过口连接，完成被测网络的频率特性的测试及图形的显示、保存与打印。关键词：直接数字频率合成（）；电子测量；幅频特性；相频特性；单片机中图分类号：文献标识码：引 言扫频仪也称频率特性测试仪，用于测试被测网络的幅频特性。它可以测量被测网络的谐振频率、带宽、带外衰减、增益等，是电子领域的常用设备之一。模拟式扫频仪价格较贵，且不能直接得到相频特性，更不能保存频率特性图和打印频率特性图，给使用者带来了诸多不便，为此我们

2、设计了此数字式频率特性测试仪。总体设计该测试仪以单片机控制频率合成器产生扫频信号。通过等接口电路实现被测网络幅频特性和相频特性的测量，然后通过串行接口送至机进行频率特性图的显示、保存和打印等。总框图如图所示。图 数字频率特性测试仪总框图扫频信号源的设计在频率特性测试仪的设计中，扫频信号源的质量非常重要。在本设计中，我们采用了收稿日期：作者简介：孙静（），女，四川阆中人，实验师，主要从事数字电路及电子测量技术研究。第卷第期孙静等：数字式频率特性测试仪设计49 技术来产生扫频信号。技术是一种把一系列数字量形式的信号通过转换成模拟量形式信号的合成技术。目前使用最广泛的一种方式是利用高速存储器作查寻表

3、，然后通过高速产生已经用数字形式存入的正弦波。它主要由参考频率源、相位累加器、正弦波采样、数模转换器及低通滤波器构成。对于参考频率源频率为fclk，计数容量为2N的相位累加器和具有个相位取样的正弦波波形存储器，若频率控制字为，则系统输出信号的频率为fout=fclk×k2N，而频率分辨率为f=fclk2N。准则，最高输出频率可达0.5fclk。但考虑到实际低通滤波器性能的限制，实际最高输出频率一般取为fclk的。我们选用的是集成电路。是公司采用先进的直接数字合成（）技术推出的高集成度频率合成器。的功能框图如图所示，它内部包括可编程系统，高性能位及控制电路等，与微机的串行或并行接口，能

4、实现全数字编程控制的频率合成。如果接上精密时钟源，可产生频率和相位都可编程控制的正弦波输出，当时钟源为时，输出频率分辨率可达，最大输出频率可达。接口控制简单，可以通过位或位并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。器件采用低功耗工艺，不需要信号输出时可通过硬件或软件设置为低功耗方式。其最大输出电压、电流分别为、，采用单一正电源及脚封装形式。并行寄存器命令寄存器图是和单片机接口的实现电路，该接口采用并行位接口方式。通过CS的控制下，将数据控制字首先写入的并行寄存器，然后在数据总线在WR、和的控制下将并行寄存器数据转载到功能寄存器。由输出的电流信号（）经过一个电阻转换成电压信号后，再通过由运放组

5、成的跟随器和低通滤波器，即得频率可控制的正弦波信号。本设计采用的时钟为，字长为位，则有最小输出频率（即频率分辨率）为：fL=fclk232=20×1062320.0047HZ50四川轻化工学院学报年月当取输出最高频率约为时钟频率的，则有最大输出频率为：fM=fclk=20×106=5K×fclkMHZ设K为的频率控制字，由：fout=得的频率控制字：K=fout×232232=K×20×10623220×106（）机根据需要的输出信号的频率，由（）式算出输出频率控制字值取整后，通过口送至，由通过并行位口送入的或中，输出需要的

6、输出信号（由于只改变了的频率控制字，因此输出信号幅值不变）。随着频率控制字值的变化，从而产生扫频信号。幅值与相位差的测量由于被测网络的输入信号的幅值不变，因此只需要测量被测网络的输出信号的幅值。输出信号的幅值测量由峰值检波器、转换器及单片机共同完成。首先将被测网络的输出信号的峰值提取出来，输入后级的转换电路转换为数字信号后，再由单片机处理。峰值检波器的原理如图所示，它为一有源峰值检波器，其中三极管的基极由的控制，产生的高电平使电容放电，以减少前一频率测量对后一频率测量的影响，提高幅值测量精度。相位差的测量原理如图所示。被测网络的输入输出信号经整形电路变换为矩形波，再送入图所示的相位差测量电路中

7、。电路中的有关波形示意图如图所示，由此图我们可以知图 相位差测量电路第卷第期孙静等：数字式频率特性测试仪设计51 道图相位差的测量范围为180o到+180o。图中ui、uo分别为被测网络的输入输出信号经整形电路变换而得到的矩形波，触发器输出ua送单片机作为超前、滞后的判断依据，若点ua为高电平，则在ui与uo的相位差前加“”号，反之，前加“”号。由于被测信号的频率范围较宽，需要分段测量。（）ub送单片机端（引脚），进行低频段的测量。当单片机的定时计数器工作于模式，为，为时，只有INT0（引脚）输入高电平时，才允许计数，这样可测得引脚上正脉冲的宽度（即机器周期数N）。设异或门输出ub的脉宽为T，

8、为ui与uo的以度为单位的相位差，为ui的周期，若单片机的晶振频率fo为6MHZ，则有：T=Nf0=N500000N=（）1389×TUC =360×T该模式下，单片机能测量的频率范围是多大呢？当两信号的相位差越接近±180o，异或门输出ub的脉宽T越接近T，而单片机的定时计数器工作于模式时，为位定时计数器，因此最大计数值Nmax为215，即测量的最大T的计数值应不o大于Nmax；同时一个周期T对应360o，为了使测量的的分辨率不大于1，因此测量最小的T的计数值Nmin应不小于360。于是最低测量频率、最高测量频率分别为：f0500000=5000001389(H)fmin=15(H)；f=maxZZNminNmax360215因此我们取fmin=15HZ，fmax=1000HZ（当然，这是在相位差接近±180o的取值，当相位f0差较小时fmin可以取得更小，fmax可以取得更大）。（）当被测频率f高于1000HZ小于5MHZ时，ub经两级网络滤波后得uc，uc再通过转换为数字量由单片机处理来测量。两级网络的和分别取51k和0.22µF，它的稳态建立时间小于0.4秒。因为uc的大小只与脉冲信号ub的占空比有关，而uc在为0时为最小值，在为±180时为最大值，于是ui与uo的相位差为：oo=180×