低频扫频仪的设计与制作

1、【Word版本下载可任意编辑】 低频扫频仪的设计与制作 低频扫频仪的设计与制作 *师范大学职业技术学院电子系（* 410081）毛长根 1 引言 当今世界，电子科技飞速发展，数字化、网络化、信息化，影响着人们的衣、食、住、行。但现有电子科研实验室缺少频率在1MHz以下的扫频仪器，严重阻碍了科研人员的创作速度。语音信号要开展数字处理时，首先必须经过采样、量化、编码，由Nyquist采样定理可知，若要无失真地重建原始信号，采样频率必须大于或等于原始信号频率的两倍（Ws2Wh），否则采样信号的频谱将会发生混叠，此时，无法恢复原始信号，显然原始信号的频率Wh越低，采样频率Ws也越低，数码率也就越低，并

2、可大大减少存储空间和信息传输速率，于是，可以在采样之前使原始信号通过一个低通滤波器，只允许低于Ws2的频率分量通过，而将更高的频率分量滤除。由语音信号的标准可知，在采样前可通过带通滤波将语音信号的频带限制在300Hz3400Hz范围内。无疑，在以上这一系列语音信号处理过程中，缺少不了1MHz以下的扫频仪器，特别是开展300Hz3400Hz带通滤波器的设计与生产时，在调整与测试过程中必须使用低频扫频仪开展数据检验。 2 方案的设计与论证 根据上述要求，我们可有以下三种设计方案： （1）借助实验室的低频信号发生器与示波器， 用人工的方法开展定点描测，即由低频信号发生器产生一个一个的频率点输送到被测

3、电路，其输出接到示波器，观测它的各个频率点的衰减幅度，并记录下来开展数据分析。 （2）以单片机为，外围频率合成器、整流滤波、AD转换、液晶显示、键盘控制等部分开展智能全自动化综合系统设计，工作原理后文详述，其系统框图如图1所示。 （3）以DSP芯片为，对外围宽带信号发生器、宽带信号接收器、液晶显示屏、控制面板等部分开展智能系统设计，其基本工作原理是：由信号发生单元产生一个从20Hz2MHz的宽带信号输送到被测电路，其输出接到信号接收单元，再由DSP芯片开展频谱分析，扫频结果由液晶显示直观地显示出来，键盘采用轻触开关控制扫频范围、输出输入信号衰减dB值等设置，其系统框图如图2所示。 显而易见，方

4、案1是一种传统的人工方案，测试麻烦，速度慢，工作效率低，不符合现代电子设计标准；方案2、3均是全自动化仪设计方案，方案3比方案2的测试性能、精度指标要好，但方案2的成本低廉，易于生产，因此我们选择方案2。 3 扫频仪的工作原理 在电子测量中，经常遇到对网络的阻抗特性和传输特性开展测量的问题，其中传输特性包括增益和衰减特性、幅频特性、相频特性等。用来测量前述特性的仪器我们称为频率特性测试仪，简称扫频仪。它为被测网络的调整，校准及故障的排除提供了极大的方便。 扫频仪一般由扫描锯齿波发生器、扫频信号发生器、宽带放大器、频标信号发生器、X轴放大、Y轴放大、显示设备、面板键盘以及多路输出电源等部分组成。

5、其基本工作过程是通过电源变压器将50Hz市电降压后送入扫描锯齿波发生器，就形成了锯齿波，这个锯齿波一方面控制扫频信号发生器，对扫频信号开展调频，另一方面该锯齿波送到X轴偏转放大器放大后，去控制示波器X轴偏转板，使电子束产生水平扫描。由于这个锯齿波同时控制电子束水平扫描和扫频振荡器，因此电子束在示波管荧光屏上的每一水平位置对应于某一瞬时频率。从左向右频率逐渐增高，并且是线性变化的。扫频信号发生器产生的扫频信号送到宽带放大器放大后，送入衰减器，然后输出扫频信号到被测电路。为了消除扫频信号的寄生调幅，宽带放大器增设了自动增益控制器（AGC）。宽带放大器输出的扫频信号送到频标混频器，在频标混频器中与1

6、MHz和10MHz或50MHz晶振信号或外频标信号开展混频。产生的频标信号送入Y轴偏转放大器放大后输出给示波管的Y轴偏转板。扫频信号通过被测电路后，经过Y轴电位器、衰减器、放大器放大后送到示波管的Y轴偏转板，得被测电路的幅频特性曲线。 4 硬件设计 4.1硬件组成 本系统的硬件部分由CPU（89C51）、频率合成器（MC1451511）、整流滤波、AD转换（ADC0 809）、液晶显示、轻触键盘等单元组成，系统方框图如图1所示。键盘控制扫频范围，由单片机输送14位数据至MC1451511控制压控振荡器（VCO）的振荡频率，该频率经被测电路后至整流滤波，再经AD转换回送到CPU。VCO的振荡频率

7、在扫频范围内由低频端至高频端至低频端比较缓慢地循环变化，与此同时，由CPU控制AD转换时序，然后再由软件转换成液晶显示代码显示出来。 4.2锁相频率合成电路 该单元是本机工作的关键部分，系统构造如图3所示。合成频率步长Fr设定为扫频范围的1128，扫频范围可为20Hz2MHz，显然，扫频范围越小，扫频精度越高。 目前市场上的频率合成器集成电路很多，我们选用摩托罗拉公司的MC145151。该芯片是一块14位并行码输入的单模、单片锁相环频率合成器，片内含有参考振荡器、参考分频器、鉴相器、可编程分频器等部件，可变分频比为16383，工作频率为30MHz，能够满足系统的设计要求。 在锁相环路中，环路滤

8、波器的设计是十分重要的。本系统采用无源比例积分滤波器，其构造简单、性能稳定、调试方便。 4.3整流滤波电路 整流电路的任务是将从被测电路接收到的正弦波信号变换成直流电。完成这一电路主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率整流电路中，常见的几种整流电路有半波、全波、桥式和倍压整流电路。为了保证被测信号的完整性，我们采用了桥式整流电路，如图4所示。 滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，滤波电路有很多分类方法。常用的构造有C型滤波电路、倒L型滤波电路、型滤波电路。比较以上几种滤波器，我们选用电路较简单、性能较好的型滤波电路。 4.4AD转换电路 AD转换器的作用是

9、把输入的模拟信号转换成数字形式,使得CPU能够处理从被测电路接收到的模拟信号。因AD转换器应用范围极广,故其转换芯片品种及类型很多,常见的有ADC0809、ADC570、ADC574、ADC1210、ADC0804、5G14433等多种集成电路。我们选用ADC0809集成转换器，它是一个八通道多路开关、单片CMOS模数转换器，每个通道均能转换出8位数字量，它是逐次逼近比较型转换器，包括一个高阻抗斩波比较器、一个带有256个电阻分压器的树状开关网络、一个控制逻辑环节和八位逐次逼近数码存放器，输出级有一个八位三态输出锁存器。 为了保证扫频精度，在AD转换器之前必须加上采样和保持电路，这是因为从模拟

10、量到数字量的转换需要一定时间，在转换时，信号应保持稳定。采样保持电路如图5所示。 4.5液晶显示电路 液晶显示器（LCD）是一种被动式显示器，由于它的功耗低、抗干扰能力强、显示界面效果良好，因而在低功耗的单片机系统中大量使用。 目前市面上的LCD显示屏种类繁多，我们选购了*太阳人电子公司生产的SMG12232B2LCM产品。其显示容量是12232点阵，芯片工作电压是4.55.5V，工作电流是5mA（5.0V），它有16只引脚、八位数据线。 4.6轻触键盘部分 控制面板是仪器的必要组成部分，它和显示输出设备一样，均是操作人员与仪器交互的窗口，也是系统与外界联系的纽带和界面。一个安全可靠的应用系统

11、必须具有方便灵活的交互功能，它既能及时反映系统运行的重要状态，又能在必要时实现适当的人工干预。 键盘接口按不同标准可有不同分类方法，按键盘排布方式可分成独立方式和行列方式；按读入键值的方式可分成直读方式和扫描方式；按是否开展硬件编码可分成非编码方式和硬件编码方式；按CPU响应方式可分成中断方式和查询方式。我们选用构造简单、易于处理的行列扫描非编码中断方式键盘。电路原理图如图6所示。 本面板共设控制键Y轴衰减、X轴压缩、中心频率调节以及相应的调谐键“”、“”、全自动调整键（AUTO）。 4.7单片机控制台 单片机（CPU）是整个自动化系统的，也是整个硬件部分的总结，它由后述软件驱动各个控制单元。

12、CPU的种类繁多，GI、Rockwell、Intel、Zilog、Motorola、NEC等世界大计算机公司都纷纷推出自己的单片机系列。我们选取常用的Intel公司生产的MCS51系列中的AT89C51芯片，它有40只引脚、8位数据线、16位地址线、4KBROM、128ByteRAM、两个外中断、两个16位定时计数器、一个可编程全双工串行口、共32条可编程的IO线。 中断式键盘的中断信号线连到CPU的外中断INT0，它的行列扫描线由P1口产生。MC145151、ADC0809、SMG12232B2 LCM的片选信号由高8位地址线产生。由于MC145151有14位数据线，而AT89C51输出只有

13、8位数据线，我们将CPU分两次送出，先送低字节，后送高字节（称右对齐）。相应的接口电路设置两个锁存器，分别锁存高字节和低字节。ADC0809采用中断方式接收数据，其中断信号线连到CPU的外中断INT1。 5 软件设计 本系统的软件部分采用模块化程序设计方法，由汇编语言A51编写，共分为主程序（MAIN）、外中断0子程序（INT00）、外中断1子程序（INT11）、扫频信号产生子程序（SPXHCS）、液晶显示子程序（LCDSSEE）等几大模块。 在主程序中设置一个计数指针R7，代表在扫频范围内从低频端到高频端步进。当R7计数完毕时，重新赋值R7，并返回查找键值，若键值不变，则扫频各个参数均不变地

14、再开展扫频；若键值有所改变，则计算相应的扫频参数重新扫频，如此反复循环。 外中断0子程序作为键盘扫描子程序，该程序采用一种新的设计方法，即在初始化CPU时，预先向P1口送数据0FH，若有键按下，则列线有一根变为低电平“0”，列线与门也输出低电平“0”，此时产生中断；否则若没键按下，则所有列线均为高电平“1”，列线与门也输出高电平“1”，不产生中断。在中断子程序中，将P1口数据转移到累加器A中，并“或”上0F0H，又转移到P1口，此时就可将P1口中的数据作为键值，程序框图略。 外中断1子程序作为扫频Y轴扫描子程序，当该程序产生中断时，随即读取ADC0809中的数据，然后转换成液晶显示代码。显示代码的转换采用查表指今的方法，在程序末尾建立一个显示代码表格。程序框图略。 扫频信号产生子程序并不负责产生扫频信号，它只送出14位数据给MC145151芯片。扫频信号由硬件频率合成器产生和校准。由于MC145151是14位数据线，而AT89C51是8位数据线，在软件设计中采用右对齐的方式分两次送数，即先送低8位，然