頻率特性測(cè)試儀(完整版)

1、 頻率特性測(cè)試儀 頻率特性測(cè)試儀摘要：本實(shí)驗(yàn)以DDS芯片AD9851為信號(hào)發(fā)生器，以單片機(jī)MSP430F449為核心控制芯片，以FPGA為輔助，加之于外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)幅頻及相頻的檢測(cè)。系統(tǒng)由6信模塊組成：正弦掃頻信號(hào)模塊，待測(cè)阻容雙T網(wǎng)絡(luò)模塊，整形模塊，幅值檢測(cè)模塊，相位檢測(cè)模塊，及顯示模塊。先以單片機(jī)送給AD9851控制字產(chǎn)生100HZ100KHZ的掃頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)阻容雙T網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)電路，一路信號(hào)通過(guò)真有效值A(chǔ)D637JP對(duì)有效值進(jìn)行采集后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行幅值轉(zhuǎn)換，另一路信號(hào)由整形電路整形后進(jìn)入FPGA進(jìn)行相位檢測(cè)及頻率檢測(cè)，最后由LCD顯示輸出，最終來(lái)完成幅頻及相頻的簡(jiǎn)單測(cè)試。關(guān)鍵字： AD985

2、1、 MSP430F449 、FPGA 、阻容雙T網(wǎng)絡(luò) 、AD637LM311比較器 、 液晶12864 目錄一、方案方案論證與選擇41. 掃描信號(hào)產(chǎn)生方案41.1 數(shù)字直接頻率合成技術(shù)(DDFS)41.2 程控鎖相環(huán)頻率合成41.3 數(shù)字頻率發(fā)生器（DDS）AD9851產(chǎn)生 42 相位檢測(cè)方案52.1 A/D采樣查找最值法52.2 FPGA鑒相法53. 幅值檢測(cè)方案63.1 峰值檢波法63.2 真有效值芯片AD637檢測(cè)法7二、 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)文案及實(shí)現(xiàn)方框圖8三、雙T網(wǎng)絡(luò)的原理分析及計(jì)算81、雙T網(wǎng)絡(luò)的原理82、雙T網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)10四、主要功能模塊電路設(shè)計(jì)121、 AD9851正弦信號(hào)發(fā)生器1

3、22、 減法電路及射極跟隨器133 整形電路144 真有效值檢測(cè)14五、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)15六、測(cè)試數(shù)據(jù)與分析16七、總結(jié)分析與結(jié)論18參考文獻(xiàn)：18附錄：18一、方案方案論證與選擇 1. 掃描信號(hào)產(chǎn)生方案1.1 數(shù)字直接頻率合成技術(shù)(DDFS)方案一：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,利用FPGA中的N位地址存儲(chǔ)相應(yīng)的正弦表值，通過(guò)改變頻率控制字K，尋址相位累加器的波形存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù),以產(chǎn)生所需頻率的正弦信號(hào)fout=fin *K/2N。該方案頻率比較穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，但程序?qū)崿F(xiàn)會(huì)有一定的繁瑣性，并且會(huì)占用FPGA資源。1.2 程控鎖相環(huán)頻率合成方案二：采用程控

4、鎖相環(huán)頻率合成方案。鎖相環(huán)頻率合成是將高穩(wěn)定度和高精確度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過(guò)加減乘除的運(yùn)算產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率，在一定程度上解決了既要頻率穩(wěn)定精確、又要頻率在較大范圍可變的矛盾，能產(chǎn)生方波，通過(guò)積分電路就可以得到同頻率的三角波，再經(jīng)過(guò)濾波器就可以得到正弦波，但采用了多次積分電路，這種具有惰性特性的電路誤差大且不能滿足相頻曲線和幅頻曲線的輸出要求，功能擴(kuò)展能力有限。1.3 數(shù)字頻率發(fā)生器（DDS）AD9851產(chǎn)生方案三：采用DDS芯片AD9851。根據(jù)題目要求，結(jié)合性價(jià)比，我們選用AD9851。AD9851是AD公司采用先進(jìn)的DDS技術(shù)生產(chǎn)的具有高級(jí)集成度的DDS器件，它的最高工作時(shí)鐘

5、為180MHz，正常輸出工作頻率范圍為072，精度可達(dá)0.04，它還具有調(diào)頻和調(diào)相功能，通過(guò)單片機(jī)的適當(dāng)控制便可產(chǎn)生高帶寬的正弦波信號(hào)。該方案產(chǎn)生的信號(hào)頻率穩(wěn)定度較好，操作簡(jiǎn)易，但抗干擾性有一定的的不足。 綜上論證比較：與DDFS及鎖相環(huán)頻率合成相比，采用DDS芯片合成正弦信號(hào)的頻率建立與切換簡(jiǎn)單，頻率單一，頻率覆蓋范圍廣，精度高，可控性強(qiáng)，功能擴(kuò)展能力大。故采用方案三。2 相位檢測(cè)方案2.1 A/D采樣查找最值法方案一：A/D采樣法查找最值法。采用兩片高速A/D轉(zhuǎn)換器同時(shí)對(duì)輸入的兩路信號(hào)進(jìn)行等時(shí)間間隔采樣并將其分別存儲(chǔ)，然后對(duì)所測(cè)信號(hào)的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。用單片機(jī)掃描存儲(chǔ)在RAM中的波形數(shù)據(jù)，

6、查找出兩部分?jǐn)?shù)據(jù)的最大值或最小值，計(jì)算出兩片A/D轉(zhuǎn)換器采集兩部分波形數(shù)據(jù)的最大值或最小值的時(shí)間間隔，則信號(hào)的相位差可由下式得到：x=(Tx/T0)*360其中，Tx為兩路信號(hào)相臨最值的時(shí)間間隔，T0為信號(hào)周期。這種方案需要用軟件對(duì)大量的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能達(dá)到較高的精確度,且采集時(shí)間間隔難以精確控制。2.2 FPGA鑒相法方案二：FPGA鑒相法?；贔PGA數(shù)字邏輯處理功能。將待測(cè)網(wǎng)絡(luò)的正弦信號(hào)輸入和輸出端分別通過(guò)一個(gè)過(guò)零比較器，對(duì)兩路線輸出方波信號(hào)進(jìn)行“異或”操作，所得脈沖的寬度可反映相位差的大小，這就將對(duì)信號(hào)相位差測(cè)量轉(zhuǎn)化成對(duì)脈沖的占空比的測(cè)量。分別測(cè)量脈沖高電位時(shí)間內(nèi)與原方波周期內(nèi)的基

7、準(zhǔn)源脈沖數(shù)Nh與Nt。則信號(hào)相位差為：x（Nh/Nt）*360這種方案以主控芯片的時(shí)鐘信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖，但原方波信號(hào)及脈沖信號(hào)都要是單個(gè)不長(zhǎng)的時(shí)間單位，其數(shù)值相對(duì)較小，故存在誤差。當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率較高時(shí)誤差會(huì)更大。方案三：考慮方案二中誤差的主要來(lái)源，測(cè)量中采用多周期同步計(jì)數(shù)法，此方案基于方案二，對(duì)輸入信號(hào)周期進(jìn)行填充式脈沖計(jì)數(shù)。其原理為：用FPGA產(chǎn)生一個(gè)門(mén)寬為1秒閘門(mén)信號(hào)，將FPGA的40MHZ時(shí)鐘頻率5倍頻為200MHZ，用閘門(mén)信號(hào)與倍頻時(shí)鐘脈沖“相與”送入計(jì)數(shù)器1，進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為N1。將同步閘門(mén)信號(hào)、鑒相脈沖和時(shí)鐘脈沖三者“相與”后送入記數(shù)器2，進(jìn)行記數(shù)，計(jì)數(shù)值為N2，則相位差為：x（

8、N2/N1）*360。此方法缺陷來(lái)自于所其的閘門(mén)信號(hào)寬度并非整個(gè)原信號(hào)周期，這樣會(huì)帶來(lái)一定的誤差，但其實(shí)這種誤差在允許范圍內(nèi)是可以忽略的?？傮w上在測(cè)量高頻率時(shí)更精確。綜上采用此方案。3. 幅值檢測(cè)方案3.1 峰值檢波法方案一：峰值檢波法。用二極管電路和電壓跟隨器組成的峰值檢波電路，其原理為：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。適當(dāng)選擇電容值，使得電容放電速度大于充電速度，這樣，電容兩端的電壓可以保持在最大電壓處從而實(shí)現(xiàn)峰值檢波。二極管D2用于補(bǔ)償D1的導(dǎo)通壓降，提高測(cè)量精度。為隔離后級(jí)，增加由運(yùn)算放大器構(gòu)成的射極跟隨器。 圖3-1 峰值檢波電路此電路能夠檢測(cè)的信號(hào)頻率范圍很寬，被

9、測(cè)信號(hào)頻率低時(shí)檢波的紋波較大，通過(guò)增加小電容和大電容并聯(lián)構(gòu)成的電容池可以濾除紋波，但二極管的管壓降必然會(huì)帶來(lái)一定誤差。如果此電路中的二極管使用高頻二極管，就可大大提高測(cè)量范圍的頻率上限，但是此電路只適合于測(cè)量中高頻率段的信號(hào)。3.2 真有效值芯片AD637檢測(cè)法方案二.采用真有效值芯片AD637。所謂“真正有效值”亦稱(chēng)真均方根值。交流電壓有效值定義為VRMS=（U2）1/2借助TRMS/DC轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入電壓進(jìn)行“平方-取平均值-開(kāi)平方”運(yùn)算，就能獲得交流電壓的有效值。在輸入有效值為1V時(shí)1%誤差的帶寬可達(dá)到200KHZ。綜合論證：峰值檢波法在低幅度、過(guò)低或過(guò)高頻時(shí)誤差較大，而應(yīng)用集成真有效值檢

10、測(cè)芯片AD637進(jìn)行有效值檢波具有準(zhǔn)確度高，測(cè)量面廣，顯示直觀的優(yōu)點(diǎn)，故采用方案二。二、 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)文案及實(shí)現(xiàn)方框圖經(jīng)過(guò)以上分析論證，系統(tǒng)總體流程圖如下： 2.1系統(tǒng)總體框圖 首先由單片機(jī)控制AD9851產(chǎn)生相應(yīng)頻率的正弦波（峰峰值穩(wěn)定在1.68V，最小值0V），此小信號(hào)進(jìn)入雙T網(wǎng)絡(luò)后會(huì)有較大的衰減，為了減小后級(jí)整形及有效值檢測(cè)的穩(wěn)定性，用減法器將此信號(hào)的平均值降到0V。在前級(jí)與雙T網(wǎng)級(jí)聯(lián)中，為了減小雙T網(wǎng)絡(luò)所受的干擾，在雙T網(wǎng)絡(luò)之前加一級(jí)射極跟隨器。由于雙T網(wǎng)絡(luò)在中心頻率左右幅度衰減很大，而此小信號(hào)進(jìn)入AD637進(jìn)行有效值檢測(cè)會(huì)有較大的誤差，因而加一級(jí)低倍數(shù)的放大電路（12倍）。信號(hào)進(jìn)入F

11、PGA處理后直接進(jìn)入MSP430的內(nèi)部高速A/D轉(zhuǎn)換輸出顯示輸出。三、雙T網(wǎng)絡(luò)的原理分析及計(jì)算1、雙T網(wǎng)絡(luò)的原理雙T網(wǎng)絡(luò)是屬于帶阻濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。對(duì)雙T網(wǎng)絡(luò)的要求是對(duì)某一頻率信號(hào)的輸入，該電路發(fā)生諧振而不能通過(guò)，而對(duì)其他頻率信號(hào)的輸入，則基本上可以通過(guò)，但在幅值上有所衰減。采用阻抗星形三角形變換法，可以證明雙T網(wǎng)絡(luò)可等效為一個(gè)簡(jiǎn)單的型網(wǎng)絡(luò)，如圖3-2所示 圖3-1 雙T網(wǎng)絡(luò)電路圖 圖3-2 雙T網(wǎng)絡(luò)等效電路圖其中 當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，諧振電壓不能通過(guò)，則。即 此時(shí)需實(shí)部和虛部為0，聯(lián)立兩式可得，故中心頻率為 同理，可以證明其傳遞函數(shù)為可得幅頻特性為：相頻特性為： = 由于題目要求設(shè)計(jì)雙

12、T網(wǎng)絡(luò)的中心頻率5kHz，帶寬50Hz計(jì)算得出，并在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下畫(huà)出該雙T網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖3-3和圖3-4所示。圖3-3 雙T網(wǎng)絡(luò)幅頻特性曲線圖3-4 雙T網(wǎng)絡(luò)相頻特性曲線2、雙T網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的雙T網(wǎng)絡(luò)如下:圖3-5 雙T網(wǎng)絡(luò) 圖3-6 幅頻特性仿真圖(效果好) 圖3-7 相頻特性仿真圖（效果一般）元件選取：由于題目的掃頻范圍要求帶寬較高，所以采用高帶寬、高輸入阻抗的LF356芯片。另外實(shí)驗(yàn)要求為阻容雙T網(wǎng)絡(luò)，中心頻率f0=5KHZ，帶寬Bw=100HZ。則計(jì)算如下： 四、主要功能模塊電路設(shè)計(jì)1、 AD9851正弦信號(hào)發(fā)生器AD9851模塊中晶振頻率40MHZ，進(jìn)入AD

13、9851芯片后，在內(nèi)部3倍頻為120MHZ，通過(guò)改變輸入控制字K(D0-D7)來(lái)改變輸出正弦波頻率fo=k*fclk/2，其中最小分辨率0.04HZ，頻率在30MHZ以下時(shí)波形完美。并且輸出峰峰值1.66V，平均值0.69V。 圖4-1 AD9851模塊電路2、 減法電路及射極跟隨器 圖4-2 帶射隨的減法電路該電路可將AD9851輸入的正弦信號(hào)（峰峰值1.68V，最小值0V）調(diào)整到平均值為0V，即去掉直流分量，這樣可以避免后放大電路對(duì)直流的放大而帶來(lái)的不可預(yù)測(cè)的誤差。由高帶寬芯片LF356組成的簡(jiǎn)單射極跟隨器在消除AD9851信號(hào)源與后級(jí)雙T網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的干擾方面有顯著的效果。3 整形電路 圖4

14、-3 帶射隨的過(guò)零比較電路由于整形電路只是為測(cè)相位服務(wù)，那么直接采用過(guò)零比較器。但LM311比較電路要注意上拉電阻的合理選擇，否則輸出方波上升沿會(huì)夾雜高頻波紋，其次就是在輸入端加電阻時(shí)，電阻應(yīng)近管腳，且小于10K（或更?。?。4 真有效值檢測(cè)AD637的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括有源整流器(即絕對(duì)值電路)、平方/除法器、濾波放大器、獨(dú)立的緩沖放大器(緩沖放大器既可以作為輸入緩沖用，也可以構(gòu)成有源濾波器來(lái)濾除紋波，提高測(cè)量準(zhǔn)確度)、偏置電路五部分。AD637的標(biāo)準(zhǔn)雙極點(diǎn)濾波電路如下圖所示。 圖4-4 AD637電路五、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)以MSP430為主控芯片，來(lái)控制產(chǎn)生信號(hào)頻率以及對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理、轉(zhuǎn)換、顯

15、示，而FPGA只是輔助測(cè)量相位及頻率。單片機(jī)單片機(jī)軟件編程采用C 語(yǔ)言完成，集成環(huán)境采用IAR Embedded。在此單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)按照“ 需要完成任務(wù)分析-界面功能設(shè)計(jì)-流程設(shè)計(jì)-編寫(xiě)代碼-調(diào)試”的順序完成。根據(jù)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，單片機(jī)部分在系統(tǒng)中的任務(wù)可歸結(jié)為 以下幾個(gè)方面：a控制DDS產(chǎn)生掃頻信號(hào)，并且能獲得掃頻信號(hào)的頻率，以便頻率定標(biāo)。b控制A/D采樣以實(shí)現(xiàn)幅值的檢測(cè)。c.接受FPGA傳送的相位及頻率信息。c處理掃頻頻率與采集到的有效值信號(hào)，相位信號(hào)，得到信號(hào)（頻率等）參數(shù)，接受用戶鍵盤(pán)信息。d在LCD及示波器顯示參數(shù)和圖形。單片機(jī)軟件流程圖見(jiàn)附錄。六、測(cè)試數(shù)據(jù)與分析 a) 系統(tǒng)儀器PC

16、機(jī)：Inspur 浪潮YB1731A 3A直流穩(wěn)壓電源華誼MASTECH MS8265 數(shù)字萬(wàn)用表臺(tái)灣固緯Gwinstek GDS-1062數(shù)字示波器MSP430F449 單片機(jī)Cyclone EP1CQC240-FULL FPGAb) 阻容雙T網(wǎng)絡(luò)幅值及相位測(cè)試由于在5V的峰值時(shí)，雙T網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)較好，所以用5V輸入作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量。幅值測(cè)試表：Vp-p(V) 5vfin(kHZ)4.904.914.924.934.944.954.964.974.98Vout(V)4.944.944.944.934.273.052.061.500.62fin(kHZ)5.005.015.025.035.045.05

17、5.065.075.08Vout(V)0.200.621.502.063.054.274.934.944.95相位測(cè)量表：（但無(wú)理論值作對(duì)照）fin(kHZ)4.004.104.204.304.404.504.604.704.80（度）+1.66+1.76+3.24+3.54+3.94+4.59+5.67+7.34+11.54fin(kHZ)4.904.954.974.995.005.055.105.205.30（度）+24.26+36.57+38.90+26.29+21.90-2.62-8.32-6.73-4.76fin(kHZ)5.405.505.605.906.006.507.007.5

18、08.00（度）-3.42-2.48-1.77-0.16-0.08+0.30+0.38+0.42+0.45由上面幅值測(cè)量表可得：該網(wǎng)絡(luò)在5K時(shí)衰減的幅度最大，說(shuō)明中心頻率確實(shí)在5K，但在4.95K與5.05K時(shí)，信號(hào)的幅度并沒(méi)有完全恢復(fù)到5V，說(shuō)明它的帶寬偏大。并且在5K時(shí)幅度衰減了27.9dB,說(shuō)明該網(wǎng)絡(luò)的Q可以達(dá)到要求。c) AD637真有效值測(cè)試 有效值測(cè)試表：Vrm f2M1M0.5M0.2M0.1M1K10050波 形11.200.9870.9930.9971.001.011.011.01相 當(dāng)穩(wěn) 定誤差20%1.7%0.7%0.3%01%1%1%22.182.002.002.012.012.032.032.03有少量紋 波誤差9%000.5%0.5%1.5%1.5%1.5%3.043.362.972.922.932.942.972.972.97有較大紋 波誤差10%2.3%3.9%3.9%3.2%2.3%2.3%2.3%由有效值測(cè)試表可得：AD637輸入幅度稍少時(shí)，輸出較穩(wěn)定，有效值測(cè)量精度高。 而輸入頻率過(guò)大或過(guò)小時(shí)，效果差。1V有效值輸入，效果最佳，精度可達(dá)1%。d) 其它功能a)起始頻率和結(jié)束頻率可通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置b)能在液晶顯示屏上顯示幅頻曲線、頻率、幅值、相位差。c)能夠改變步進(jìn)進(jìn)行掃