简易数字扫频仪Word文件下载.doc

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3.2 AD9851扫频信号发生器模块 8

3.2.1DDS扫频信号源原理 8

3.2.2正弦扫频信号发生电路设计 8

3.2.3AD9851与单片机接口电路设计 9

3.2.4AD9851工作原理 10

3.3 交流信号幅度检测电路的设计 10

3.4 A/D转换模块的设计 12

3.5 12864LCD图文点阵显示模块 13

3.6 相位测量 14

3.7 带通网络 14

4 软件设计 15

4.1开发软件Keil介绍 15

4.2软件实现 15

4.2.1菜单流程图 15

4.2.2幅频特性测试流程图 16

4.2.3曲线显示流程图 17

4.2.4程序仿真 18

5系统测试 19

5.1测试仪器 19

5.2 测试结果 19

5.2.1幅频特性测试 19

5.2.2误差分析 20

6结论 21

致谢 21

参考文献 22

数字式扫频仪的设计

摘要：

本文介绍了一种以DDSAD9851作为扫频源，以STC12C5412AD为主控芯片，LCD12864作为显示终端的简易数字扫频仪。

整个系统采用菜单控制方式，可以方便地设置扫频信号的步进频率。

然后利用STC12C5412AD内部自带的10位高速AD检查被测网络的幅频特性。

附带相频特性的测量。

以上设计具有集成度高，可靠性好，硬件电路简单，用途广泛等特点。

关键词：

幅频特性AD9851STC12C5412ADLCD12864

2010届电子信息工程专业毕业设计（论文）

1引言

1.1课题背景及意义

频率特性是一个系统（或网络）对不同频率正弦输入信号的响应特性，电子测量中经常遇到的就是对未知系统或电路网络传输特性的测量，尤其是电路网络幅频特性的测量。

一般情况下，一个系统或电路网络的电路网络幅频特性就能表征其电气性能，如系统固有角频率、系统阻尼率等。

早期,这些网络参数的测试是在固定频率点上逐点手工操作调节进行的,因此测试方法繁琐、效率低下，精度不高,且不直观,有时因取点有误还会得出错误的结果。

而专用测试工具大致可分为两类:

一类是传统设备,如国产的BT4型低频特性测试仪,BT4存在设备体积大（达10余公斤）,易有故障,并且操作复杂等缺点,难以满足尤其是现场自动测试的要求;

另一类是采用集数据采集和运算功能于一体的大规模新型芯片技术制造的测试仪,一般为进口产品,价格昂贵，结构复杂,维护困难,体积庞大等缺点。

随着单片微处理器技术的迅猛发展，并在智能仪表中得到了广泛的应用。

软件来代替部分硬件完成频率特性的测试,便成为一种比较理想而有效的途径。

本设计以51单片机为主要控制芯片，借助单片机的内部资源及其数据处理能力，采用大规模直接数字合成（DDS）技术，完成了一款便携式的电路网络幅频特性测试仪，附带相频特性测试功能。

该设计以六个独立按键作为系统输入，以菜单方式切换功能操作，以128*64图形点阵液晶屏作为系统输出，人机界面友好。

本系统在测量频带内，具有测量精度高，测量速度快，显示直观，并对一些测量参量采用实时数字显示。

1.2国内外研究现状概述

图1-1二阶（绿）、四阶（红）、六阶（蓝）滤波器电路网络幅频特性

目前在教学、科研、生产、生物工程等诸多领域中使用的电路网络幅频特性测试仪一般分为两类：

一类是传统式的频率特性测试仪，其以压控振荡电路产生扫频正弦信号，示波管作为显示器,来直接显示被测电路的电路网络幅频特性曲线，图1-2二阶（绿）、四阶（红）、六阶（蓝）滤波器电路网络幅频特性。

由于压控震荡器的频率稳定性不好，而且频率分辨率也不高，会对整个测量结果的精度造成较大的影响。

另外示波管的使用，使得整个仪器在外形上显得庞大，笨重，如BT-3GII型的扫频仪重量达到10kg，不方便移动式测量，同时价格昂贵,给使用带来诸多不便。

另外一类是数字式的频率特性测试仪，其以直接数字合成技术（DDS）产生扫频正弦信号，采用点阵液晶作为显示器，由微处理器对数据进行处理及各部分电路的控制。

但此类频率特性测试仪价格昂贵。

2方案论证

2.1主要功能和指标

1、扫频范围为100Hz～200KHz;

在此范围内可由用户任意设定上下限频率。

2、步长设定为通过键盘可任意设定（1、2、3…n）频率间隔,实现线性增长;

3、即可以测试有源四端网络也可以测试无源四端网络。

4、选用128×

64图形点阵液晶显示模块,显示测量得到的电路网络幅频特性曲线、汉字、字母、数字、图形等;

5、使用6个独立按键，使用户方便地设置扫频参数。

6、智能查找某个频点的网络增益，用户通过面板输入要查找的频率，系统就会将对应的扫频频率及被测网络的增益以数字方式显示于液晶屏上。

2.2设计任务

表2-1是本系统的主要设计指标。

其中实现测量的精度是本设计最为关键的地方，电路网络幅频特性曲线和相频特性曲线的显示是本设计的一个难点。

表2-1设计指标

指标

要求

激励信号波形

正弦波

扫频带宽

100Hz~200KHz

频率步进

可任意输入

测量精度

优于5%

人机接口

独立按键

显示

LCD菜单式及电路网络幅频特性曲线的显示

电源

自制5V

用通用板搭建电路，用C语言编程

2.3测试原理

频率特性的测试主要有两种方法，即冲激响应法和扫频测试法。

前者需要制作个质量较高的冲激激励脉冲信号源，或者频谱和统计特性满足测量要求的任意波形或序列信号，还需要有一定的数据采集速度以及数字信号处理的计算能力。

这种方法的好处是无需制作扫频信号源，也不必制作幅度检波和相位差测量电路，因而硬件电路的工作量较小。

这种方法常在低频网络频率特的测试中应用。

例如电声系统的网络频率特性和元件阻抗特性测试振动系统的分析测试等。

考虑到处理器的原因，所以采用后者即扫频测试法。

系统在正弦信号激励下，输出响应达到稳态时，是与输入激励信号频率相同的正弦波，响应信号与输入信号的幅值比即为该频率的幅频响应值，而两者的相位差即为相频特性值。

可以采用频率逐点步进或频率连续变化的方法，完成整个频率特性的测量。

这种方法称为扫频测试法。

这种方法无需对信号进行时域与频率的变换计算，可以通过时模拟量的测量和运算完成。

为了使每次测量输出电压时，被测系统输出响应达到稳态，无论是逐点改变频率，还是连续扫频，其频率的变化速度都不能太快，这是因为系统的输出响应与系统的建立时间有关。

系统建立时间的长短与系统的带宽成反比，即带宽越窄，过渡过程时间越长，测量时，频率变化的速度应该越慢。

频率连续地变化通常称为“扫频”，因而也称采用这种方法测量频率特性的仪器为扫频仪

图2-1测量原理

扫频测试法包含的各个部分的功能介绍如下。

扫描同步控制部分：

产生锯齿或阶梯型扫描电压，同步地控制VCO和显示部分的工作。

有时，还要用于对整机各个部分的性能作同步地补偿，例如对扫频信号源的幅值平坦度进行补偿等。

扫频信号源部分：

频率由低到高或由高到低变化的正弦波振荡源，称为扫源。

频率的变化可以是连续的，也可以是步进式的。

扫频信号的幅度，扫频的频率变化范围应能方便地控制。

扫频的速度与测量仪其他部分的工作应当同步。

测量和计算部分：

对输入与输出信号的幅值和相位进行测量，并通过计算输出信号与输入信号的幅值比，得到幅频特性，计算输出与输入的相位差，得到相频特性，如式

（2-1）

Φ（w）=Φo（w）-Φi（w）

和分别为系统的输出和输入的幅度，Φi（w）和Φo（w）为输人和输出的相位。

通常使输人信号的幅值在扫频过程中保持平坦，即≡1，则求幅频特件的幅值比的运算可省略。

扫频仪即采用等幅度的扫频振荡作为激励信号。

其中,电路网络幅频特性是电路网络的一个重要特性,一般情况下一个电路网络的电路网络幅频特性就代表了此电路网络的特性，所以,本课题主要探讨电路网络幅频特性参数的测试，附带相频特性测试的介绍。

2.4设计方案

系统是要将扫频信号作为输入信号激励被测网络，通过峰值检波电路得到输出和输入信号的幅值比关系，经过ADC采样将数据送给处理器进行计算，将处理后的存储并在LCD显示模块将电路网络的幅频和相频特性曲线显示出来。

本系统的设计重点是正弦扫频信号发生模块、控制模块、交流信号的幅值测量、相位差的测量、电路网络频率特性曲线的液晶显示模块。

故针对这些模块提出方案论证和比较。

2.4.1正弦扫频信号发生模块

正弦扫频信号发生器是本设计的核心部分。

要求能产生优于的频率稳定度，且在100HZ~200KHZ范围内,最小步进是1Hz的步进。

方案一：

采用传统的直接频率合成法合成。

经过混频、倍频、分频网络和带通滤波器完成对频率的算术运算。

但由于采用大量的模拟环节，导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易引入干扰，影响系统的稳定性，难以达到较高的频谱纯度。

方案二：

采用锁相环间接频率合成（PLL）。

虽然具有工作频率高、宽带、频谱质量好的优点，但是由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长，很难满足系统要求的高速度指标。

另外，由于模拟方法合成的正弦波参数都很难控制，不易实现。

方案三：

采用直接数字式频率合成（DDS）。

用随机读/写存储器RAM存储所需波形的量化数据，按不同频率要求，以频率控制字K为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据，经过D/A转换和幅度控制，再滤波即可得到所需波形。

由于DDS具有带宽很宽，频率转换时间极短（小于20μs），频率分辨率高，全数字化结构便于集成等优点，以及输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控，完全可以满足本题目的要求。

DDS有着较多的优点，但是DDS技术也有内在的缺陷——杂散噪声。

为了全面实现题目的要求，选择最合适的三号方案，使用高性能的DDS集成芯片AD9851作为正弦波扫频信号发生器的核心，实现高速、高精度、高稳定性的正弦信号输出。

2.4.2控制模块

用51单片机为系统的主控核心。

单片机具积小，使用灵活，布尔运算易于人机对话和良好的数据处理，有较强的指令寻址和运算功能。

而且单片机的功耗低，价格低廉。

用FPGA等可编程器件作为控制模块的核心。

FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，他将所有器件集成在一快芯片上，减小了体积增加了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。

FPGA采用并行的输入/输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。

其工作为纯软件行为，全部由程序来控制，具有快速、可靠性高等优点。

就FPGA的制造工艺而言，FPGA掉电后数据会丢失，上电后必须进行一次配置，因此FPGA在应用中需要配置电路和一定的程序，并且FPGA器件作为一个数字逻辑器件，竞争和冒险正是数字逻辑器件较为突出的问题，因此在使用时必须注意毛刺的消除及抗干扰性，从而增大了电路或程序的复杂程度和可实施性。

采用单片机作为控制器比FPGA更适合本系统的规模。

充分考虑到综合性价比和控制的方便程度，确定选择方案一作为系统的控制核心模块方案