数字式频率特性测试仪的设计

出处：davidli88 发布于：2007-05-25 11:14:38

摘　要:介绍了用函数发生器ICL8038构成压控振荡器、用D/A转换器提供压控振荡器的控制电压的频率特性测试仪。它以单片机为控制，实现了扫频频率的步进调整、频率数显、被测网络幅频特性与相频特性的数显及频率特性曲线的打印。关键词 电子测量幅频特性相频特性压控振荡器单片机
模拟式扫频仪价格昂贵，不能直接得到相频特性，更不能打印网络的频率响应曲线，给使用带来诸多不便。为此，我们研究和设计了低频段数字式频率特性测试仪。该测试仪用压控振荡器产生扫频信号，以单片机为控制，通过A/D、D/A等接口电路，实现扫频信号频率的步进调整、数字显示及被测网络幅频特性与相频特性的数显等。总框图如图１所示。该系统成本低廉，扫频范围较宽(10Hz～1Hz)，并可方便地与打印机连接以实现频率特性曲线的打印。

1 扫频信号源的设计在频率特性测试仪的设计中，扫频信号源的质量具有重要的意义。无论是模拟式扫频仪，还是数字扫频仪，都要求扫频信号源具有线性压控的特性，且扫频波的输出幅度应是恒定的，不因频率或被测网络的改变而改变。为此，我们选用低线性误差的函数发生器ICL8038 1 构成压控振荡器，如图2所示。用D/A转换器提供控制电压。D/A转换器的输入数字量由单片机给出，如图3所示，可实现数字量的手动和自动调整。为了提高信号源的负载能力，我们将压控振荡器的输出信号送入一宽频带功率放大器，从而增大其驱动能力。关于宽带功放电路已有很多的器件或电路可供选用，此处不再赘述。


振荡器的振荡频率由图2中的定时元件R、C及控制电压决定。当R和C一定时，改变ICL8038的⑧脚电压可改变振荡器的振荡频率。实验表明，仅靠改变压控电压来改变扫频波的频率是不能满足测量要求的(频率范围太窄)。为了扩展频率范围，我们采用了分档切换电容的办法。电容C通过一电子开关接入，单片机根据扫频波的频率值自动给出相应的开关量(三位)，从而选择所接入的电容值，可使扫频频率范围扩展到10Hz~1MHz。
2 幅频特性与相频特性的测量与打印扫频波频率的测量与显示由单片机完成。宽带功放输出的正弦信号，经整形后送单片机供其测量并显示频率。用单片机完成这一任务已有较成熟的方法。值得注意的是测频的时间间隔不是固定的：数显时，时间间隔应较长(我们定为1s)，因显示时必须延时一段时间才能便于观察；打印时，时间间隔较小(我们定为1ms)，便于在较短时间内打印全频段数据。测频前信号的整形电路选用宽频带正弦波─矩形波变换电路2，如图4所示。场效应管源极跟随器的接入是为了消除变换电路对信号源的影响。

在幅频特性的测量中，被测网络的输入信号幅度是已知的，这在调整功放电路时调定。只要测出被测网络输出信号的幅度，即可算得其增益(dB数)，被测网络输出信号的幅度的测量由检波器、A/D转换器及单片机共同完成。增益的计算和显示亦由单片机完成。相频特性的测量与显示原理如下：被测网络的输入与输出信号先经整形电路变换为矩形波，再送入图5所示测相逻辑电路中，图中μi和μo分别为被测网络的输入与输出信号。电路中有关波形如图6所示。设异或门输出脉冲宽度为ΔT，信号周期为T，则输入与输出信号的相位差由下式求得： Δφ＝×360°1　上式中的符号由A点电平决定，若A点为低电平，则μO超前μi，在Δφ前加"＋"号；若A点为高电平，则μｏ滞后μi，在Δφ前加"－"号。ΔT与T的测量及(1)式的计算与符号的确定均由单片机自动完成。上述幅频与相频特性的测量对频率而言是离散的。某一时刻只能看到某一频率下的增益或相移。为了获得连续的频率特性曲线，我们将全段内各频率下的增益或相移存放在单片机的外部RAM中，将单片机与打印机相连，将存放在外部RAM中的数据逐个送打印机打印，取得较好的效果。单片机与打印机的接口电路如图7所示。DB0~DB7为单向数据传输线，单片机通过此传输线将待打印的数据送给打印机。STB为数据选通信号，此信号上升沿时，数据线上8位数据被打印机读入机内锁存并打印。BUSY为打印机的"忙"信号输出线，输出高电平表示打印机处于"忙"状态，此时，单片机不得向打印机送入新的数据字节。当BUSY为低电平时，单片机将存在外部RAM中的数据送给打印机。编制相应程序时，只要设置好打印机的控制字，并将增益或相移值作适当量化即可。

3 软件流程与系统调试要点单片机系统构成如下：单片机选用80C32，键盘显示接口芯片选用8279，存储器选用EPROM 1片(2K)和RAM 1片(64K)。地址冲突问题由片选信号解决。A/D转换器选用0809，选用14位DAC一片，可提高分辨率。软件流程图如图8所示。

键盘分为数字键和功能键两种，数字键用来输入扫频频率起始及终止值等；而功能键则用于幅频特性、相频特性的测量及打印等功能。程序编制与电路调试中有几个值得注意的问题。是切换定时电容后频率的重迭。解决的办法是通过对扫频频率的判断，给出D/A所需的数字量，使扫频频率单值上升。各电容的值通过实验调定。第二是步长问题，在数显功能下，步长不能太小，否则，观察一段频率范围的频响耗时巨大。针对这一问题，我们通过改变步长的办法来解决，在低频段取较小步长，而高频段取较大步长。在打印功能下，由于不需要延时，故可在全频范围取较小步长(10Hz)，每步所需时间仅为单片机执行指令及电路响应的时间，能较快地打印全频段的频率特性曲线。这时，频率轴为线性分度，便于定量分析。第三个问题是增益与相移的满量程问题。增益的量程我们定为±40dB，较大增益的网络通过衰减网络接入，增益小于-40dB时被量化为-40dB。相移的满量程为±180°。实验表明，我们设计的系统稳定可靠，打印的幅频特性曲线与传统模拟扫频仪所测曲线相符，相频特性曲线与理论一致。
参考文献 1 陈泽宗，张锴，屠忠遂．单片精密函数发生器ICL8038 及其应用．电子技术应用，1997.9.49~51 2 赵柏树．宽频带正弦波─矩形波变换电路的研究．武汉大学学报自然科学版　1998增刊39~41 3 ICL8038 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ICL8038_225332.html. 4 80C32 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/80C32_103443.html.

关键词：测试

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模拟式扫频仪价格昂贵，不能直接得到相频特性，更不能打印网络的频率响应曲线，给使用带来诸多不便。为此，我们研究和设计了低频段数字式频率特性测试仪。该测试仪用压控振荡器产生扫频信号，以单片机为控制，通过A/D、D/A等接口电路，实现扫频信号频率的步进调整、数字显示及被测网络幅频特性与相频特性的数显等。总框图如图１所示。该系统成本低廉，扫频范围较宽(10Hz～1Hz)，并可方便地与打印机连接以实现频率特性曲线的打印。

1 扫频信号源的设计在频率特性测试仪的设计中，扫频信号源的质量具有重要的意义。无论是模拟式扫频仪，还是数字扫频仪，都要求扫频信号源具有线性压控的特性，且扫频波的输出幅度应是恒定的，不因频率或被测网络的改变而改变。为此，我们选用低线性误差的函数发生器ICL8038 1 构成压控振荡器，如图2所示。用D/A转换器提供控制电压。D/A转换器的输入数字量由单片机给出，如图3所示，可实现数字量的手动和自动调整。为了提高信号源的负载能力，我们将压控振荡器的输出信号送入一宽频带功率放大器，从而增大其驱动能力。关于宽带功放电路已有很多的器件或电路可供选用，此处不再赘述。


振荡器的振荡频率由图2中的定时元件R、C及控制电压决定。当R和C一定时，改变ICL8038的⑧脚电压可改变振荡器的振荡频率。实验表明，仅靠改变压控电压来改变扫频波的频率是不能满足测量要求的(频率范围太窄)。为了扩展频率范围，我们采用了分档切换电容的办法。电容C通过一电子开关接入，单片机根据扫频波的频率值自动给出相应的开关量(三位)，从而选择所接入的电容值，可使扫频频率范围扩展到10Hz~1MHz。
2 幅频特性与相频特性的测量与打印扫频波频率的测量与显示由单片机完成。宽带功放输出的正弦信号，经整形后送单片机供其测量并显示频率。用单片机完成这一任务已有较成熟的方法。值得注意的是测频的时间间隔不是固定的：数显时，时间间隔应较长(我们定为1s)，因显示时必须延时一段时间才能便于观察；打印时，时间间隔较小(我们定为1ms)，便于在较短时间内打印全频段数据。测频前信号的整形电路选用宽频带正弦波─矩形波变换电路2，如图4所示。场效应管源极跟随器的接入是为了消除变换电路对信号源的影响。

在幅频特性的测量中，被测网络的输入信号幅度是已知的，这在调整功放电路时调定。只要测出被测网络输出信号的幅度，即可算得其增益(dB数)，被测网络输出信号的幅度的测量由检波器、A/D转换器及单片机共同完成。增益的计算和显示亦由单片机完成。相频特性的测量与显示原理如下：被测网络的输入与输出信号先经整形电路变换为矩形波，再送入图5所示测相逻辑电路中，图中μi和μo分别为被测网络的输入与输出信号。电路中有关波形如图6所示。设异或门输出脉冲宽度为ΔT，信号周期为T，则输入与输出信号的相位差由下式求得： Δφ＝×360°1　上式中的符号由A点电平决定，若A点为低电平，则μO超前μi，在Δφ前加"＋"号；若A点为高电平，则μｏ滞后μi，在Δφ前加"－"号。ΔT与T的测量及(1)式的计算与符号的确定均由单片机自动完成。上述幅频与相频特性的测量对频率而言是离散的。某一时刻只能看到某一频率下的增益或相移。为了获得连续的频率特性曲线，我们将全段内各频率下的增益或相移存放在单片机的外部RAM中，将单片机与打印机相连，将存放在外部RAM中的数据逐个送打印机打印，取得较好的效果。单片机与打印机的接口电路如图7所示。DB0~DB7为单向数据传输线，单片机通过此传输线将待打印的数据送给打印机。STB为数据选通信号，此信号上升沿时，数据线上8位数据被打印机读入机内锁存并打印。BUSY为打印机的"忙"信号输出线，输出高电平表示打印机处于"忙"状态，此时，单片机不得向打印机送入新的数据字节。当BUSY为低电平时，单片机将存在外部RAM中的数据送给打印机。编制相应程序时，只要设置好打印机的控制字，并将增益或相移值作适当量化即可。

3 软件流程与系统调试要点单片机系统构成如下：单片机选用80C32，键盘显示接口芯片选用8279，存储器选用EPROM 1片(2K)和RAM 1片(64K)。地址冲突问题由片选信号解决。A/D转换器选用0809，选用14位DAC一片，可提高分辨率。软件流程图如图8所示。

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参考文献 1 陈泽宗，张锴，屠忠遂．单片精密函数发生器ICL8038 及其应用．电子技术应用，1997.9.49~51 2 赵柏树．宽频带正弦波─矩形波变换电路的研究．武汉大学学报自然科学版　1998增刊39~41 3 ICL8038 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ICL8038_225332.html. 4 80C32 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/80C32_103443.html.

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