音频频率数字扫频仪剖析Word下载.docx

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3.4.2测带阻网络的幅频特性7

3.5幅频均衡原理8

3.6与传统的测量带阻网络幅频特性方法的比较8

3.7算法及数据处理8

3.7.1扫频信号频率的控制8

3.7.2带阻网络幅频特性测试9

3.7.3数字幅频均衡算法9

3.8理论误差分析11

4系统硬件设计11

4.1DSP选择与最小系统12

4.2低通滤波器12

4.3带阻网络13

4.4电源管理模块通讯模块14

5系统软件设计15

5.1软件总体框图15

5.2初始化模块15

5.3中断模块15

5.4扫频信号产生模块16

5.5幅频特性测试模块17

5.6幅频均衡模块17

5.7串口通讯的软件设计18

6系统关键设计与创新20

7评测与分析20

7.1评测20

7.1.1测试仪器20

7.1.2测试方法21

7.1.3测试条件21

7.1.4测试结果21

7.2分析24

8附录25

8.1PCB照片25

8.2现场测试照片25

8.3通讯窗口26

8.4幅频特性曲线26

8.4.1扫频信号直接接至输入端的幅频特性曲线26

8.4.2带阻网络1幅频特性曲线27

8.4.3带阻网络2幅频特性曲线27

8.4.4带阻网络3幅频特性曲线28

宋明聪 

庄严 

肖伟华

（华中科技大学电子与信息工程系 

邮编430074）

摘要：

本设计采用TMS320F28234DSP芯片，设计了一台音频频率数字扫频仪。

系统由扫频信号产生及调理模块、帯阻网络模块、幅频特性测试模块、数字幅频均衡模块以及人机交互模块组成。

扫频信号由DSP内部PWM模块产生经外部有源低通滤波器进入带阻网络。

应用数字信号处理技术在DSP内部实现幅频特性测试，测试结果通过DSP的SCI在电脑显示器上显示，幅频均衡部分利用利用Matlab和基本部分中测得的陷波特性得出均衡算法中的滤波器的系数和阶数，然后在DSP内部对帯阻网络实现了均衡，完成了要求的各项指标。

关键词：

SPWM、幅频特性、数字均衡、DSP

DigitalAudioFrequencySweepGenerator

SONGMing-cong，ZHUANGYan，XIAOWei-hua

（SchoolofElectronics&

InformationEngineering,HuazhongUniversityofScience&

Technology）

Abstract：

AdigitalaudiofrequencysweepgeneratorisdevelopedwithTMS320F28234DSPchipinourdesign.Thesystemconsistsofasweepsignalgenerationandconditioningmodule,band-stopnetworkmodule,amplitude-frequencycharacteristictestmodule,digitalamplitude-frequencyequalizationmoduleandinteractionmodule.ThesweepsignalgeneratedbyPWMmoduleinnerDSPpassthelow-passfilterandtheninputtheband-stopnetwork.DigitalsignalprocessingtechnologyisusedinDSPtotesttheamplitude-frequencycharacteristic,andthetestresultsareshowedoncomputermonitorbytheSCIofDSP,theamplitude-frequencyequalizationsectioncomputesthecoefficientsandorderofthefilterbymatlabandtrapcharacteristicmeasuredinthebasicpart,thenweachievetheequalizationoftheband-stopnetwork,andcompletealltherequestedindicators.

Keywords：

SPWM,amplitude-frequencycharacteristic,digitalequalization,DSP

1引言

我们选择的题目要求是设计并制作一个音频频率数字扫频仪，包括带阻网络、幅频特性测试和显示电路。

在电子测量中，经常遇到对网络的阻抗特性和传输特性进行测量的问题，其中传输特性包括增益和衰减特性、幅频特性、相频特性等。

数字扫频仪是用数字方式测量前述特性的仪器，它为被测网络的调整，校准及故障的排除提供了极大的方便。

很多电子电路是设计在音频范围工作的，所以电路音频频率范围的特性显得非常重要。

由于DSP强大数据处理能力和高运行速度，DSP已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，逐渐应用到各个领域。

本设计基于TMS320F28234DSP平台，完成了音频频率数字扫频仪的制作与测试，另外对带阻网络实现了均衡。

2系统指标

本设计达到了该题目要求的所有基本指标和发挥部分指标。

本设计不仅可以对任意帯阻网络进行扫频，还可以对带阻网络进行幅频均衡，均衡后在20－20kHz频率范围内的通带起伏不大于±

0.6dB。

现将题目的要求指标和本设计所达到的各项指标在表2中进行比较。

基本要求指标

本设计达到指标

基本部分

扫频信号

频率范围

20-20KHz

20-120KHz

步进大小

1Hz

0.1Hz

信号幅度

0-3V

0.65v

带阻网络

最大衰减

≥10dB

带阻网络1

-13.5dB

带阻网络2

-40dB

带阻网络3

-15dB

幅频特性测试

幅度最大误差

0.96082dB

发挥部分

数字幅频均衡

通带起伏

≤±

1.5dB

-0.5639d～0.3883dB

表2.1指标对照表

3系统方案

1

2

3

3.1总体介绍

本系统以TMS320F28234为控制和信号处理核心，利用HRPWM和低通滤波器产生正弦扫频信号，实现对任意带阻网络的幅频特性的测试，测试结果通过串口发到上位机客户端上显示，整个系统的工作流程由上位机客户端来进行控制。

并在DSP内部构建了带通网络实现对信号的数字幅频均衡，并利用PWM信号将均衡后的信号输出。

总体框图如图3.1所示。

图3.1总体框图

3.2PWM作为DA转化的原理

3.1

3.2

图3.2PWM信号作为DA的原理图

由图3.2可以看到，PWM信号由直流分量和零平均值的方波信号组成。

那么通过低通滤波将零平均值的方波信号滤除，就剩下直流分量，而直流分量的大小受PWM波占空比的控制，通过改变PWM信号的占空比就可以产生不同需要的幅度值，这样PWM就可以作为DA来使用。

3.3输出扫频信号频率的控制

图3.3扫频信号频率控制方法

输出信号波形的频率表达式为：

=

（1）

式中：

为参考时钟频率；

为相位增量，表示以多大的间隔对信号相位进行累加，也称为频率控制字；

N为相位累加器的位数。

由式

（1）看出,DDS的频率分辨率即最低频率为：

Δ

（2）

所以，只要N足够大，DDS可得到很小的频率间隔。

要改变DDS的输出信号的频率，只要改变

即可。

3.4幅频特性测试原理

3.3

3.4

3.4.1测单频正弦信号峰峰值

对于该扫频系统，存在以下两个已知条件：

Ø

信号为单频的正弦信号。

扫频信号是自身产生的，所以频率已知，不妨设为

由以上两个条件，可以采用如下方法进行幅频特性测试：

设AD的采样频率为Fs，则对频率为

的正弦信号每个周期的采样点为：

N=Fs/f0（3）

这样对每个频点的信号采N个点，首先求出其平均值D，然后该信号的峰峰值可以通过如下公式进行计算：

Vpp=

（4）

（N为采样点数，D为信号的直流分量，

为采样值）

3.4.2测带阻网络的幅频特性

利用上面介绍的方法测量出带阻网络输入和输出信号的峰峰值，用输出信号的幅值除以输入信号即可，但是由于我们产生的输入信号在整个频带内基本不变（下面为把输入信号直接接到AD输入端测得的扫频曲线），由实际测试数据绘制的图3.4可以看出产生的扫频信号在整个频带的起伏小于0.4dB。

图3.4实测输扫频信号频谱图

所以我们认为输入信号保持不变，只用比较输出信号的幅度就可算出带阻网络的幅频曲线。

3.5幅频均衡原理

信号经过了一个带阻网络后，为了使信号得到均衡，可以在DSP内部构建一个带通网络（如图3.5），这个带通网络的幅频特性应该正好与带阻网络的幅频特性相反，这样信号恰好可以得到均衡。

图3.5幅频均衡示意图

3.6与传统的测量带阻网络幅频特性方法的比较

传统的幅频特性测试可以用硬件真有效值检测电路来实现，但与数字信号处理技术实现幅频特性测试相比，它的实时性不高，受具体电路制约，如果信号频率变化剧烈的话就不能立刻算出有效值，另外它的误差来源不仅要考虑AD芯片的转化误差，还要考虑硬件真有效值检测电路引入的误差。

而采用我上面提到的数字信号处理技术实现幅频特性测试方法的实时性很高，另外它的误差来源只用考虑AD芯片的转化误差，另外软件实现也很灵活。

3.7算法及数据处理

3.5

3.6

3.7

3.7.1扫频信号频率的控制

本设计中，我的数据位数N取的是32，采样频率设为500KHz，所以本设计达到的最小分辨率为

Δ

≈0.00011641Hz

所以基于本设计所能达到的最小分辨率就为0.00011641Hz。

如果步进为1Hz的话，步进值为：

≈8590。

3.7.2带阻网络幅频特性测试

由于扫频信号的范围从20Hz到20KHz，所以根据奈奎斯特采样定理，采样率至少为40KHz，这样对于20Hz的信号，一个周期就要取2000个点，而20KHz的信号一个周期才取了2个点，所以应该进行分段处理：

分成如下两段：

20Hz~1KHz：

采样率为29412Hz

1KHz~20KHz：

采样率为1666667Hz

首先根据输入信号的频率选取采样率，然后由采样率和扫频信号频率算出对扫频信号一个周期采到的点数N，最后算出这N个点的平均值D，并由下式计算出该信号的峰峰值：

（5）