1、2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽 簡易頻率特性測試儀（e題）【本科組】 2013年9月7日 摘要 本設(shè)計主要由掃頻信號發(fā)生器電路、c8052微控制器、芯片ad9854、幅度和相位檢測電路、鍵盤及顯示等部分組成。利用c8052微控制器作為控制及處理單元，使用集成化的幅度和相位檢測芯片，配有l(wèi)cd192x64液晶顯示，使這種測試儀設(shè)計簡單，調(diào)試方便，性能穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)界面友好，能夠在全頻范圍內(nèi)自動步進(jìn)測量，可預(yù)置測量范圍及步進(jìn)頻率值,可以更加細(xì)致的觀察頻率特性圖，給使用者帶來方便。關(guān)鍵詞：掃頻；測試儀；頻率特性 目錄一.系統(tǒng)方案論證與比較4二.理論分析與計算52.1 系統(tǒng)原理52.2 濾波器設(shè)計6

2、2.3 adc設(shè)計7三.電路與程序設(shè)計73.1電路設(shè)計73.2程序設(shè)計8四.測試方案與測試結(jié)果8五.總結(jié)88一系統(tǒng)方案論證與比較 方案一 ：采用動態(tài)測量法，即沖擊響應(yīng)測量的方法。如圖1所示，圖中e(t)和r(t)分別是系統(tǒng)時域中的激勵函數(shù)和零狀態(tài)響應(yīng)函數(shù)，假設(shè)e(t)和r(t)的傅立葉變換分別是e(j)和r(j)，則系統(tǒng)的頻率特性h（j）可用式（1）計算： h（j）r(j)/ e(j) （1）圖1 沖擊響應(yīng)測量原理圖當(dāng)輸入激勵函數(shù)e(t)單位沖激函數(shù)(t)時，則輸出為系統(tǒng)的單位沖激響h(t)，由于（1）式中的e(j)恒等于1，于是就有公式（2）。 （2）計算得到的h (j)為復(fù)數(shù)，包含了幅頻特

3、性和相頻特性的完整信息。本方案可以采用目前的dsp技術(shù)實現(xiàn)，只要產(chǎn)生一個沖激脈沖(t)，并對輸出響應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對輸出信號進(jìn)行傅里葉變換就能得到被測系統(tǒng)的頻率特性。這種方法的好處是不需額外添加掃頻信號源，也不必添加幅度檢波電路和相位差檢測電路，因而硬件工作量小，測量時間比較短。但這種方法一般只適合用于低頻系統(tǒng)的測量中。但在實際制作中需要制作一個質(zhì)量相當(dāng)高的沖激激勵脈沖信號源，或者頻譜和統(tǒng)計特性滿足測量要求的任意波形或序列信號，還需要一定的數(shù)據(jù)采集速度以及數(shù)字信號處理計算能力，這些都不易實現(xiàn)。方案二：采用穩(wěn)態(tài)測量法，即掃頻法。掃頻法是運(yùn)用響應(yīng)信號與輸入信號的幅值比（即該頻率的幅頻響應(yīng)值）來反映

4、網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性。由微控制器c8052控制掃頻源產(chǎn)生低頻掃頻信號，經(jīng)寬帶放大器將信號進(jìn)行放大，再由自動電平控制掃頻信號的幅度值，最終產(chǎn)生幅度可控且穩(wěn)定的掃頻信號。由于被測網(wǎng)絡(luò)是線性非時變網(wǎng)絡(luò)，所以掃頻信號經(jīng)過被測網(wǎng)絡(luò)后，在被測網(wǎng)絡(luò)的輸出端得到的是調(diào)幅波，此調(diào)幅波經(jīng)過有效值檢波，將載波濾出，最后進(jìn)入adc轉(zhuǎn)換器的信號就是反映被測網(wǎng)絡(luò)幅頻特性的信號。經(jīng)adc進(jìn)行采樣處理，最后由微控制器將處理的采樣值送到液晶顯示器顯示，這樣被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性就直觀地顯示出來了。這種方法適用于很寬的頻段，需要額外添加一個頻率可步進(jìn)或可掃頻的并符合相應(yīng)指標(biāo)要求的信號源，需要幅值檢波器，所需的儀器還包括掃頻、檢測和顯示的同

5、步控制模塊，整個系統(tǒng)的硬件規(guī)模較方案一龐大多，數(shù)字計算的軟件工作量則相對較小。在被測量系統(tǒng)可以接受的安全輸入幅值范圍內(nèi)，激勵信號的全部能量都可以集中于某一頻率上，被測網(wǎng)絡(luò)對該頻率激勵的穩(wěn)態(tài)輸出信號分量的信噪比高，有利于提高測量精度。缺點是每次測量的是網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，需要等待網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，從而測量時間上比較長。 方案選擇： 綜合考慮上面兩種方法的優(yōu)缺點，也考慮到我們所學(xué)的知識以及各方法可以實現(xiàn)的可能性，我們決定選用方案二穩(wěn)態(tài)測量法。相對于質(zhì)量要求很高的沖激激勵脈沖信號源來說，掃頻信號源信號更容易實現(xiàn)。二理論分析與計算 2.1 系統(tǒng)原理穩(wěn)態(tài)測量法的被測系統(tǒng)為線性非時變網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示。 圖2 穩(wěn)態(tài)

6、測量法原理 圖2是一個最簡單的穩(wěn)態(tài)測量網(wǎng)絡(luò)，圖中單調(diào)諧電路就是一個線性非時變網(wǎng)絡(luò)，其測量過程是：先將信號源ui(t) = sint加到被測網(wǎng)絡(luò)的輸入端，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為（上圖a所示）uo(t) = h(j)sin(t+(w)。這樣對于每一個特定的，通過被測網(wǎng)絡(luò)后得到一個穩(wěn)態(tài)響應(yīng)（上圖b所示）h(j)，響應(yīng)信號與輸入信號的幅值比即為該頻率的幅頻響應(yīng)值，而兩者的相位差即為相頻響應(yīng)值，可以采用頻率逐點步進(jìn)或頻率連續(xù)變化的方法，完成整個頻率特性的測量，因此，這種方法也被稱為掃頻法。2.2 濾波器設(shè)計如圖3所示是一個5階的低通橢圓濾波器.此橢圓濾波器的通帶頻率為400mhz,通帶波紋為1db.它的頻率響

7、應(yīng)參見圖4圖3 低通橢圓濾波器 圖4 橢圓濾波器的頻率響應(yīng) 2.3 adc設(shè)計 圖53 電路與程序設(shè)計 3.1電路設(shè)計被測網(wǎng)絡(luò)幅度和相位檢測電路 鍵盤c8052微控制器液晶顯示圖6 電路總體框圖掃頻信號發(fā)生器3.2程序設(shè)計 四測試方案與測試結(jié)果 我們對該系統(tǒng)進(jìn)行測試，所達(dá)到的性能指標(biāo)如下：(1)具有正交或同相兩路信號同時輸出的能力;(2)掃頻范圍：1mhz20mhz(3)掃描速率：100hz/s10mhz/s(4)掃描步進(jìn)分辨率：1hz五總結(jié) 頻率特性是分析系統(tǒng)頻率的重要方法，穩(wěn)態(tài)測量法測量系統(tǒng)的頻率特性在現(xiàn)代電子測量中占有重要的地位。本文是設(shè)計一種簡易型的測試儀，體積較小，性價比高，能顯示頻率特性曲線。 在對測試儀研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，確定了系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)并提出了系統(tǒng)設(shè)計的總體方案。到現(xiàn)在為止，主要完成了以下工作： 1.對設(shè)計的要求進(jìn)行分析，確定了本數(shù)字掃頻儀的主要性能指標(biāo)。 2.對頻率特性的測試方法進(jìn)行研究并分析比較，確立使用掃頻法并提出系統(tǒng)設(shè)計的總體方案。 3.完成了掃頻信號發(fā)生器電路、c8052微控制器、芯片ad9854、幅度和相位檢測電路、鍵盤