頻率特性測(cè)試儀

1、頻率特性測(cè)試儀摘要:本頻率特性測(cè)量?jī)x以 MSP430單片機(jī)為控制核心,由信號(hào)源、 被測(cè)雙 T 網(wǎng)絡(luò)、檢波電路、檢相電路及顯示等功能模塊組成 。 其中,檢波電路、檢相電 路由過(guò)零比較器、鑒相器、有效值檢波器、 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換器等組成;被測(cè)網(wǎng)絡(luò) 采用帶自舉功能的有源雙 T 網(wǎng)絡(luò);同時(shí)本設(shè)計(jì)還把 FPGA 作為 MCU 的一個(gè)高性能 外設(shè)結(jié)合起來(lái), 充分發(fā)揮了 FPGA 的高速信號(hào)處理能力和 MCU 的復(fù)雜數(shù)據(jù)分析能 力;通過(guò) DDS 可手動(dòng)預(yù)置掃頻信號(hào)并能在全頻范圍和特定頻率范圍內(nèi)為自動(dòng)步 進(jìn)測(cè)量, 在數(shù)碼管上實(shí)現(xiàn)頻率和相位差的顯示, 以及實(shí)現(xiàn)了用示波器觀察幅頻特 性和相頻特性。關(guān)鍵詞:單片

2、機(jī); DDS ;幅頻特性;相頻特性一、方案比較與論證1. 方案論證與選擇(1系統(tǒng)總體方案描述該系統(tǒng)以單片機(jī)和 FPGA 為控制核心,用 DDS 技術(shù)產(chǎn)生頻率掃描信號(hào),采用 真有效值檢測(cè)器件 AD637測(cè)量信號(hào)幅度。在 FPGA 中,采用高頻脈沖計(jì)數(shù)的方法 測(cè)量相位差,經(jīng)過(guò)單片機(jī)運(yùn)算,可得到 100 Hz 100 kHz 中任意頻率的幅頻特性 和相頻特性數(shù)據(jù), 實(shí)現(xiàn)在該頻段的自動(dòng)掃描, 并在示波器上同時(shí)顯示幅頻和相頻 特性曲線。 用鍵盤(pán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種功能, 并且在 LCD 同步顯示相應(yīng)的功能和數(shù) 據(jù)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 1所示。 圖 1 系統(tǒng)總體框圖(2掃描信號(hào)源發(fā)生器方案一:采用單片函數(shù)發(fā)

3、生器。 其頻率可由外圍電路控制。 產(chǎn)生的信號(hào)頻率 穩(wěn)定度低,抗干擾能力差,靈活性差。方案二:采用數(shù)字鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)。 但鎖相環(huán)本身是一個(gè)惰性環(huán)節(jié), 頻 率轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng), 整個(gè)測(cè)試儀的反應(yīng)速度就會(huì)很慢 , 而且?guī)挷桓摺?其原理圖如圖 2所示: 圖 2 PPl原理圖方案三:采用數(shù)字直接頻率合成技術(shù) (DDFS。以單片機(jī)和 FPGA 為控制核 心 , 通過(guò)相位累加器輸出尋址波形存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù) , 以產(chǎn)生固定頻率的正弦信號(hào)。 該方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,頻率穩(wěn)定,抗干擾能力強(qiáng)。其原理圖如圖 3所示: 圖 3 DDS 原理圖綜上分析, 方案三可以產(chǎn)生高精度與高純度的頻率信號(hào), 頻率分辨率很高, 可以 實(shí)現(xiàn)任意小

4、的頻率步進(jìn),固采用方案三。(2幅頻特性的測(cè)試方案一:由電壓跟隨器和二極管電路組成。 當(dāng)輸入電壓正半周通過(guò)時(shí), 檢波 管導(dǎo)通, 對(duì)電容 C 充電, 使電容上的電壓逐漸趨近于峰值電壓。 只要 RC 足夠大, 可以認(rèn)為其輸出的直流電壓數(shù)值上十分接近于交流電壓的峰值。 而在其它時(shí)段電 容 C 上的電壓將對(duì)電阻 R 放電。利用檢波二極管對(duì)輸出信號(hào)檢測(cè),得到與信號(hào) 峰值成比例關(guān)系的直流信號(hào),在經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器調(diào)整比例系數(shù)以便于單片機(jī)采 樣。方案二:使用高速 A/D采樣,通過(guò)采樣值獲得峰值。此方案精度很高,但是由于需要較高的采樣頻率,高頻干擾無(wú)法徹底消除,給峰值獲取帶來(lái)很大難度, 制作調(diào)試相對(duì)復(fù)雜。方案三:使

5、用精度和速度都比較高的有效值檢測(cè)器件(如 AD637 ,通過(guò)有 效值來(lái)計(jì)算幅度響應(yīng)。此方案外圍電路簡(jiǎn)單易于調(diào)試,精度也較高。綜上考慮,由于 芯片 AD637精度很高,穩(wěn)定性好,快速變化能力強(qiáng),固采 用方案 三。(3相頻特性的測(cè)試方案一:積分法。 將異或鑒相器的異或輸出脈沖送至積分器積分, 當(dāng)積分電 壓達(dá)到一定值時(shí)再通過(guò)一個(gè)回路放電,并測(cè)量充放電的時(shí)間 T1, T2。根據(jù)其比 值算出其相位差。方案二:計(jì)數(shù)法。 將輸入和輸出信號(hào)分別經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器后對(duì)其輸出方波進(jìn) 行異或操作。 所得脈沖的占空比既能反映被測(cè)信號(hào)相位大小。 測(cè)量異或脈沖的周 期為 T ,假設(shè)其高點(diǎn)平時(shí)間為 Th ,給一個(gè)基準(zhǔn)高頻脈沖,

6、 T 與 Th 內(nèi)基準(zhǔn)脈沖的 數(shù)目分別為 M 、 N ,則信號(hào)的相位差則為 =(N/M*360°。方案三:低通濾波法。 將輸入和輸出信號(hào)分別經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器后對(duì)其輸出方 波進(jìn)行異或操作。 將此異或輸出信號(hào)微分得到兩個(gè)對(duì)應(yīng)被測(cè)信號(hào)負(fù)向過(guò)零瞬間的 尖脈沖,利用非飽和型高速雙穩(wěn)態(tài)電路被這兩組負(fù)脈沖所觸發(fā)。所以, 由于方案二硬件實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單, 且易于用 FPGA 實(shí)現(xiàn), 故選擇方案二。二、理論分析與比較1. 低通濾波器輸出周期為 T 、寬度為 TX 的方波,若方波幅度為 Ug ,則此方波的平均值即 直流分量可得。 用低通濾波器將方波中的基波和諧波分量全部濾除后, 輸出電壓 即直流電壓。上式中

7、T 為被測(cè)信號(hào)的周期, TX 由兩信號(hào)的相位差 x 決定。 TX 與x 的關(guān)系為:22360x x x x x T T T wf = (1-1若 A/D的量化單位取為 Ug/3600,則 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果即為 x 的度數(shù)。 2. 阻容雙 T 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)在此網(wǎng)絡(luò)中, 中心頻率為 012f RC =, 電路 Q 值為 1(1 4Q K =-, 頻率特性方 程為2202200(w4(1 w w H w j w w K w -=+- (1-2通過(guò)改變兩個(gè)電阻的阻值可以實(shí)現(xiàn)對(duì) K 和 Q 的值的改變。由于系統(tǒng)要求的中心頻率為0 5f kHz=,帶寬為 50zH±。將此要求帶入上面公式即可得到個(gè)參數(shù)

8、。三、硬件電路設(shè)計(jì)1. 阻容雙 T 網(wǎng)絡(luò)其原理圖如圖 5所示。 ,仿真后的幅頻特性曲線如圖 6所示,相頻特性曲線 如圖 7所示。 圖 5 阻容雙 T 網(wǎng)絡(luò)圖 6 幅頻特性曲線 圖 7 相頻特性曲線2. 有效值檢波器該模塊采用的是 AD637。 AD637是一塊高精度單片 TRMS /DC 轉(zhuǎn)換器, 可以計(jì) 算各種復(fù)雜波形的真有效值。由于采用,峰值系數(shù)補(bǔ)償在測(cè)量峰值系數(shù)高達(dá) 10的信號(hào)時(shí)附加誤差僅為 1% 。頻帶寬度在 2V 輸入時(shí)可達(dá) 8MHz 。由于 AD637芯片 可以對(duì)輸入的正弦信號(hào)峰值直接計(jì)算并輸出其有效值, 因此可以采用該芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)的峰值檢測(cè)。其電路實(shí)現(xiàn)如圖 8所示: 圖 8 有效

9、值檢波電路圖3. 過(guò)零比較器該模塊采用 LM339芯片, 實(shí)現(xiàn)了波形由正弦波到方波的轉(zhuǎn)換, 其原理圖如圖 9所示。 AIN圖 9過(guò)零比較器原理圖4.D/A轉(zhuǎn)換器采用 TLC7528和兩片 OP07構(gòu)成 D/A轉(zhuǎn)換器,其原理圖如圖 10所示。整個(gè) 2處用到 D/A轉(zhuǎn)換器, 分別將單片機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量, 傳送到示波器的 X 軸和 Y 軸。+5V 10uF+ 0.1uF 17 VCC 4 VREFA 18 VREFB 6 DAC(A/B 15 (CS 16 (WR 1 5 14 DI0 13 DI1 12 DI2 11 DI3 10 DI4 9 DI5 8 DI6 7 DI7 3 RFBA

10、 2 OUTA 19 RFBB 20 OUTB D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 +15V 10uF + 0.1uF 四、軟件電路設(shè)計(jì) 1.掃頻測(cè)量的主程序流程圖 系統(tǒng)程序應(yīng)包括監(jiān)控程序，測(cè)試功能管理模塊,DDS 控制模塊,掃頻測(cè)試模塊, 結(jié)果處理模塊和顯示控制模塊等。 2.FPGA 設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中的鑒相器采用了 FPGA 來(lái)處理，實(shí)現(xiàn)了高精度的數(shù)字化測(cè)量。 總體框圖如圖 12 所示。 TLC7528 2 7 OP37 6 10K 3 + 4 10K 7 6 OP37 uo 3 + 4 2 10uF + 0.1uF -15V 圖 10 D/A 轉(zhuǎn)換器原理圖 1 開(kāi)始 向FPGA置

11、累加 步長(zhǎng) 讀A/D轉(zhuǎn)換電路 初始化 將幅度值存入傳 感器 讀計(jì)數(shù)器 計(jì)算出的相位值 輸入儲(chǔ)存器 手動(dòng)預(yù)置掃描頻 率范圍 調(diào)用顯示中斷程 序 自動(dòng)步進(jìn) 自動(dòng)預(yù)置掃描頻率 自動(dòng)預(yù)置下限頻 率點(diǎn)，測(cè)256個(gè)點(diǎn) 測(cè)量結(jié)束 結(jié)束 圖 11 主程序流程圖 3.用 D 觸發(fā)器判斷 將整形后的被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸入信號(hào)Ui加到D觸發(fā)器D端，將整形后的被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸 出信號(hào)Uo加到觸發(fā)器的CP端，如圖所示，若Uo超前Ui，則對(duì)應(yīng)Uo上升沿處， Ui為0，則D觸發(fā)器輸出為0。反之，Uo滯后Ui，則D觸發(fā)器輸出為1，將其輸出 送往單片機(jī)，即可判斷相移的超前與滯后。 超前 Ui(D Uo(CP Q Ui(D Q “0” 74ls

12、74A 滯后 Uo(CP Ui(D Uo(CP Q “1” “1” 圖 12 D 觸發(fā)器及其波形圖 五、數(shù)據(jù)測(cè)試與分析 1.測(cè)試儀器 DT9202A 數(shù)字萬(wàn)用表 HG1643 函數(shù)發(fā)生器 Tektionix 電腦一臺(tái)； FLUKE 數(shù)字萬(wàn)用表。 2.測(cè)試條件 環(huán)境溫度：25，電源電壓 220V 市電（加到自制線性穩(wěn)壓電源上） 。 3. 測(cè)試方法及數(shù)據(jù) (1信號(hào)源的測(cè)試。用數(shù)字頻率計(jì)測(cè)試信號(hào)源的頻率及步進(jìn)，用示波器或毫 伏表測(cè)試峰值電壓或有效值。測(cè)試數(shù)據(jù)如表一所示： 表一 信號(hào)源測(cè)試數(shù)據(jù) TDS 1001 雙蹤示波器一臺(tái)； 頻 /Hz 率 儀 器 測(cè) 量 值 誤差/% /Hz 25027 250

13、93 25100 25573 26207 27242 30673 35797 41563 0.001 0.332 0.000 0.681 0.796 0.896 2.243 2.277 3.907 峰值電壓 /V 2.04 2.04 2.02 2.03 2.01 2.00 1.99 1.99 1.98 25000 25010 25100 25400 26000 27000 30000 35000 40000 由測(cè)試數(shù)據(jù)可知信號(hào)源頻率輸出滿足題目要求。 頻率穩(wěn)定度從頻率計(jì)的顯示 數(shù)據(jù)看，顯示的數(shù)據(jù)的誤差范圍在 5%以內(nèi)。 (2雙 T 網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試 用自制信號(hào)源測(cè)試雙 T 網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試結(jié)果如表二所示。

14、 表二 自制信號(hào)源測(cè)設(shè)雙 T 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù) 頻 /Hz 率 電壓/V 頻率/Hz 0.79 0.68 29960 29980 電壓/V 0.12 0.01 頻 /Hz 率 電壓/V 0.23 0.35 29860 29880 30060 30080 29900 29920 0.54 0.37 30000 30020 0.00 0.02 30100 30120 0.41 0.55 從上表可以看出， 本設(shè)計(jì)中的雙 T 網(wǎng)絡(luò)的陷波點(diǎn)在 30KHz 處。由于本題目雙 T 網(wǎng)絡(luò)要求的 K 值很高，實(shí)際制作調(diào)試中，存在實(shí)驗(yàn)條件的限制，雙 T 網(wǎng)絡(luò)的阻 帶寬度與理論有偏差。 （3）幅頻特性測(cè)試數(shù)據(jù)如表 3 所示，相頻特性測(cè)試數(shù)據(jù)如表 4 所示。 表 3 幅頻特性測(cè)試數(shù)據(jù) 頻率(KHz 測(cè)量值(U 4800 4850 4900 4950 5000 5050 5100 5150 5200 表 4 相頻特性測(cè)試數(shù)據(jù)相 頻率(Hz 測(cè)量值(度 4800 4850 4900 4950 5000 5050 5100 5150 5200 六、結(jié)論 以單片機(jī)