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1、电子设计竞赛论文电气及其自动化工程学院题目：频率特性测试仪第三组组员:陈吉洋杨在然 周佳佳【摘要】该频率特性测量仪采 ARM空制核心，主要由正弦波发生器、数据采集存储、处理、显示、打印等功能模块组成，其中，数据处理包括了幅频测量以及相频测量部分。实际操作通过ARM触屏控制来实现幅频特性和相频特性的测量，包括参数预置、点测结果的显示，以及用模拟示波器单独或同时 显示幅频特性曲线和相频特性曲线。本系统采DDS芯片9834实现信号发生电路，频率值与步长均能灵活准确地预置。被测网络采用有源带阻双T网络，中心频率及带宽均达到要求。【关键词】DDS ARM应用双T网络有源滤波峰值检测鉴相一、系统设计方案1
2、. 系统总体方案的设计与选择1)方案一：采用DSP方式首先给被测网络一个能量脉冲信号x(t)，然后分别对被测网络的输出 Y t)和原信号x(t)进行采样，通过对采样数据进行 FFT而分别得到Y(jw )和X(jw ),两者的比值即为 H(jw)。当输入为单位冲击函数(t)时，则输出为系统的单位冲激响应h(t),由于E(j )恒等于1 ,于是就有 H ( j )0 h (t ) e j( dt由此可得幅频特性和相频特性完整的信息。方案说明：采用这种方法时要制作冲激响应 (t)，并对输出响应进行数据采集，再对采集的数据进行FFT以得到H(j )。但在实际应用中，不可能得到理想的 (t)脉冲，虽然脉
3、冲信号足够窄的信号可以代替(t),但是比较难以获得。而且此测试方法对软件的计算能力要求比较高，必须采用微机系统，故不采用。2)方案二：直接利用已有信号源给系统，比较输入输出首先设计一个扫描信号源，输出频率可步进的正弦信号，作为被测网络的输入信号Vi，网络的输出信号为Vo,信号源输出的频率按步进值递增，在各个频率点上，通过对幅度有效值的测量和A/D就可以得到Vo和Vi的有效值，两者之比就是该点的频率响应；对Vo和Vi进行过零比较、整形，再进行相位差的测量。Vi的上升沿启动计数，Vo的上升沿停止计数，得到的时间值比上信号的周期，就是该点的相位响应。方案说明： 该方案可利用 ARM工具，减少了硬件电
4、路，并且频率可调的信号易于得到，可实现性明显比 方案一冋。所以，综合比较，最终选择方案二2. 扫频信号源方案的设计与选择1）方案一：单片函数发生器禾U用单片函数发生器配合外部分立元件输出频率，通过调整外部元件可改变输出频率。方案说明：发生器输出频率稳定度差、精度低、抗干扰能力低、灵活性差，成本也高。fo2）方案二：采用锁相环（PPL）频率合成技术晶振 fr 鉴相器低通滤波器压控振荡器fd程序分频器专-1（图原理图）通过改变程序分频器的分频比，则可改变压控振荡器的输出频率fo，从而获得大量可供利用的频率稳定度等同于参考频率的频率点，这里输出频率fo只能以参考频率fr为步长进行变化。方案说明：现有
5、集成PLL的VCO般都产生方波，而不是正弦波，而且在不改变VCO电容的情况下，要达到100HZ100KHZ的频率范围有很大困难，所以我们不予采用。方案三：采用DDS产生编程控制的信号源参考频率”滤波（图原理图）将输出波形的一个完整周期幅度值按相位步进顺序量化存储于EEPROM中，禾U用相位累加技术生成地址查询高速存储器中存储的波形幅值，再以均匀速率把这些样本输出到数模转换器变换成模拟信号，由一个周期输出样本个数决定输出频率的大小。方案说明：DDS可以高精度与高纯度的频率信号，理论上只要累加器的位数足够多，可以实现任意小的频率步进。频率分辨率很高，离散输出已十分接近连续变化。对相位累加器预置累加
6、初值可以很方便地实现 精密相位调节。所以，综合比较采用方案三。3. 被测双T网络的设计与选择1）方案一：采用无源阻容双T网络1无源双T网络的中心频率f =矿存，可以达到题目要求的5KHz,但是其Q值很小。而根据题2冗RC目要求，其Q=5K/100=50,无源网络不能满足其要求，所以必须使用有源双T网络。R/22C*（图3.无源双T电路图）2）方案二：采用有源阻容双 T网络（图4.有源双T电路图）这是一个有源双T网络，中心频率为fo=1/2 RC电路的 Q值为Q=1/4（1-K）,频率特性方程为2 2H(w)=( Wo_ w )/ w+j4 Wo w(1-K)- w ，通过改变两个电阻的阻值来改
7、变K和Q的值。所以，综合比较采用方案二。4幅频特性测量的方案与选择1)方案一：二极管峰值检测法(图5.二极管峰值检测电路图)由电压跟随器和二极管电路组成，其工作原理为：当输入电压正半周通过时，检波管导通，对电容C充电，使电容上的电压逐渐趋近于峰值电压。只要RC足够大，可以认为其输出的直流电压数值上十分接近于交流电压的峰值。而在其它时段电容C上的电压将对电阻 R放电。利用检波二极管对输出信号检测，得到与信号峰值成比例关系的直流信号，在经过运算放大器调整比例系数以便于单片机采样。方案说明：此法检测的信号范围小，但精度高，能够满足该系统的幅频特性的测试要求。并且电路简单，经典易用。但是本题由于经过带
8、阻网络，并且扫频变化很快， 所以要求检测能够很快跟随，这点很难实现。2)方案二：基于AD637的有效值检测采用集成真有效值变换芯片，测量被测信号的真有效值，然后换算为幅值这样可以实现对正弦波的幅值测量。AD637是一块高精度单片真有效值转换器，可以计算各种复杂波形的真有效值，采用了峰值系数补偿，量程在07V范围内可调，在测量峰值系数高达10的信号时附加误差仅为 1%而且外围元件少，频带 宽，频带宽度在2V输入时可达8MHZ方案说明：芯片AD637精度很高，稳定性好，快速变化能力比方案一强。所以，综合比较采用方案一。5.相频特性的测量与选择A.相频测试总体方案1）方案一：积分法将异或鉴相器的异或
9、输出脉冲送至积分器积分，当积分电压达到一定值时再通过一个回路放电，并测量充 放电的时间T1，T2。根据其比值算出其相位差。方案说明：这种方案测量精度高且与被测信号的频率关系不大，可以测量高频信号间的相位差。但这种 方法对积分电路和充放电时间的要求较高，因此不采用。2）方案二：计数法将输入和输出信号分别经过过零比较器后对其输出方波进行异或操作。所得脉冲的占空比既能反映被测信方案说明：该方案实现电路简单，易于 ARM编程实现。3）方案三：低通滤波法将输入和输出信号分别经过过零比较器后对其输出方波进行异或操作。将此异或输出信号微分得到两个对应被测信号负向过零瞬间的尖脉冲，利用非饱和型高速双稳态电路被
10、这两组负脉冲所触发，输出周期为T、宽度为TX的方波，若方波幅度为 Ug,则此方波的平均值即直流分量可得。用低通滤波器将方波中的基波和谐波分量全部滤除后，输出电压即直流电压。上式中T为被测信号的周期，TX由两信号的相位差x决定。TX与x的关系为:Txw 2360若A/D的量化单位取为 Ug/3600,则A/D转换结果即为 x的度数。方案说明：硬件电路复杂，若输入信号频率变化，则不可行。不采用。所以，综合比较采用方案二。B.超前滞后判断方案1）方案一：用与门将异或输出信号与信号源产生的方波信号相与，若输出超前，相与后结果的下降沿到来时，U为低;若输出滞后则为低。方案说明：虽然方案简单但够直观。2）
11、方案二：用D触发器判断将整形后的被测网络输入信号 Ui加到D触发器D端，将整形后的被测网络输出信号U0加到触发器的CP端，如图所示，若Uo超前Ui，贝冈应Uo上升沿处，Ui为0,则D触发器输出为0。反之，Uo 滞后Ui,则D触发器输出为1,将其输出送往单片机，即可判断相移的超前与滞后。Ui (D)74IS74AUo (CP)超前UiUo 滞后Ui (D)Uo (CP)Q（图触发器波形图）方案说明：方案简单直观以实现。所以，综合比较采用方案二。系统框图及电路图1. 扫频信号框图50MHz晶振单片机STM32DDS芯片 M低通滤波器AD9834LPF扫频信号输出（图8.扫频信号源框图）框图说明：输
12、岀为正弦波形，频率、幅度可数控。振荡电路主要是为 AD9834提供参考时钟，通过对AD9834 写入不同的控制字使其输出的扫频信号满足不同情况的测试要求。AD9834所产生的信号直接由器件内部的DAC输出，内部不含低通滤波器，故对其输出信号进行滤波处理。并且使其输出电压为恒定值1V,这样，峰值检测环节信号源的幅值就可以固定不变。2.峰值检测框图（图9.峰值检测原理框图）框图说明：峰值检波器将被测网络的输入和输出信号的峰值检出，再送至A/D转换器完成量化。实际上,由于信号源的 D/A及低通滤波器的特性能保证在 100Hz100kHz范围内的幅值保持不变，所以可以省去一 路峰值检波器及 A/D,而
13、只采集被测网络的输出信号。3.相频检测框图（图10.相频检测原理框图）框图说明：鉴相电路将输入和输出信号分别通过电压比较器整形为方波，然后送鉴相器，经过低通滤波器 取出直流成分，得到被测网络相移信号，送A/D进行数据采集。本电路采用异或鉴相器进行鉴相。但是其只能给出相移的大小信息，无法判断超前与滞后。因此，需要另加一个相位移极性判别电路。4. 系统总体框图（图11.系统总体框图）5. 软件部分流程图rjA结束Koutelk /2N开始（图12.系统软件流程框图）三、 理论分析计算、仿真及电路图1信号源产生电路参数计算在相位累加器字长一定的情况下，改变频率控制字K或者参考时钟fclk，可以改变输
14、出频率fout，它们之间的关系为:扫频步进设置扫频上下限频率触摸屏设置初始化控制AD9834产生扫频信号A/D转换检测通过被 测网络的信号峰值定时器计数计算出相 位值调用TFT显示子程 序、显示频率及相应 频率下的幅值调用TFT显示子程序显示频率相位an-Bode图结果如下:nip 匸4 、IS： Mu.TKMk：2 KJCIJTIOC S3a.C-Knsn主画：CO miM3 3-IM根据仿真结果可知，此电路完全满足设计要求。4幅频特性测量及仿真示波器检测如下:根据仿真结果可知，该电路完全满足设计要求。5.相频特性具体测量方法被测网络的输入输出信号经过整形后变成矩形波，再送入相位测量电路中，
15、波形图如下图所示。图中Ui ,Uo 分别为输入信号整形波和输出信号整形波， D触发器输出Ua送人单片机作为超前、 滞后判断的依 据，若Ua为高电平，则为滞后，在相位之前加“-“号；若为低电平，则为超前，在之前加” + “号。（图14.相频测试电路图 含整形）（图15.测相电路波形）具体测相值的方法如下：UafoM（图16相位差计算原理图）异或门出来的信号为 Ua用一个高频的脉冲信号 fo进行计数，当该信号有上升沿时进入计数中断，在中断内设置一标志位，判断 Ua是否为高电平，若为高电平则计数值加1,最后得到计数值 M则相位差 0 = (Mfo )/ T?360其中，T等于输入正弦信号的周期。四、
16、 系统测试1. 测试工具直流稳压源函数信号发生器 XJ1632数字示波器 SDS1102CFL万用表 MF47T2. 测试方法及数据 (待测)1) AD9834产生信号源的测试：用数字示波器测试信号源的频率，并测试其峰值电压或者有效值。由数据可得设计的信号源满足要求，并且误差范围在5%之内。2) 双 T 网络的测试：用自制信号源测试网络，测试结果如下图所示：由上表可以看出，本设计中的双 T网络的陷波点在5KHz以下，由于题目要求 Q很高，所以实际阻带与理论有偏差。3) 频率特性的测试：由于该系统的信号源是自己设计的，故没有标准值，下面取几个固定频率点测试双T网络的输入电压和输出电压及其比值对应
17、的相角。a)b)3. 测试遇到的问题及解决方案1) 整形电路输出相应太慢。存在问题：过零比较器用LM358压摆率不够，波形有明显的上升延时。解决方法 ：换压摆率高的专用比较器 LM393。2) D触发器输出波形有问题，不是理论应得的电平。存在问题：将该部分的模拟地与数字地接在一起了。解决方法 ：模拟地数字地应该分开接。3) 信号源随频率的增加有较为明显的衰减。存在问题：幅频检测结果不准确，误差较大。解决方法：信号源也要经过幅频检测环节再进入单片机进行数据处理。4）信号源输出有一个较为明显的直流分量，并且输出的电压只有200毫伏，效果不理想。解决方法：用一个加法器将直流分量抵消掉，并且有一定的放
18、的倍数。加法器电路图如下-5VIOUT1K5.6K（图15.加法、放大电路）5）峰值检测电路在测试时经过5KHz反相不过来。存在问题：放电回路时间常数不合适。解决方法：由于我们的频率是变化的，所以必须用软件来控制放电回路的放电与否。五、参考文件1.电子技术基础模拟部分第五版康华光高等教育出版社2.电子技术基础数字部分第五版康华光高等教育出版社3.21IC中国电子网六、集成电路查询网总结与分析本系统很好的完成了对有源双T网络进行频率在100Hz到100KZ范围内的幅频响应和相位频响应特性的测试，并且能够在通用的数字示波器上同时显示幅频和相频响应特性曲线。在软件程序控制上，为了减 小在测相位差时由
19、硬件所带来的上升沿抖动引起的读数误差，我们设计了数字滤波器，使得相位差读数误 差几乎减为零。并且我们还设置可在100Hz100KHZ范围内自行变换频段范围，观察不同频段内网络的幅频和相频特性。在硬件上，我们采用模拟开关CD4051控制幅度和相位分奇数侦和偶数侦分别送显，采用两个电位器和加法器分别独立控制显示的幅频曲线和相频曲线的上下相对位置。使得整个设计更具有交互性。本系统唯一的缺陷在于由于幅度响应曲线相对变化范围只有零点几伏，而相位变化曲线是几十度的变化，要使两条曲线在同一标定的示波器上显示时，我们采用将输出幅度范围扩展100倍，使得输出幅度响应曲线在视觉效果是不是连续的曲线而是幅度离散值，
20、再这点上有待改进。七、附录附录1:元器件清单名称型号及规格数量1DDS芯片AD983412有源晶振50MHZ13运放LM3582LF356N4TL072CN1LM39314异或门74LS8615D触发器74LS7416电位器1023502350317酚醛树脂纸基板14*10210*648插槽DIP86DIP163SIP349排针1排10排线8根附录2:系统接线图ll-5V+5V-5VIOUT1K1K5.6Kd2l4K也q4kLF3-12V+ 12V IOUVIN口200QIOUT0.1uFFSADJUSTREFOUTCOMF0.1uFD avd10nF0.1uF-CZH0.1uD DVDDVDDOUTDGND200pFC 100pRK15.Q0C 100冷-12VLF351Uo1KQAVDTDVD4AD9834CAPFSYDGNMCLKSDAFSELECPSELECTI1q202q4khVinSIGNBTOUTSIGNBITOUSCLSLEEPq4kPCPCPCOr 3Fq3Kq4k:i1N4148-12V+12V3KLF3+ 12V12V0.82KQR1 163K (1-K)R1VoI1KQ1KQn r+5V+5V74LS7474LS861qk1N4148史 1N41480.01uFLF+12V3MQPC.0PC.ARM