简易频率特性测试仪Word文档下载推荐.docx
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采用DDS芯片AD9851。
根据题目要求,结合性价比,我们选用AD9851。
AD9851是AD公司采用先进的DDS技术生产的具有高级集成度的DDS器件,它的最高工作时钟为180MHz,正常输出工作频率范围为0~72MHz,精度可达0.04Hz,它还具有调频和调相功能,通过单片机的适当控制便可产生高带宽的正弦波信号。
该方案产生的信号频率稳定度较好,操作简易,但抗干扰性有一定的的不足。
2.幅频和相频特性测量方案
扫频测试法。
当系统在正弦信号的激励下,稳态时,响应信号与输入激励信号频率相同,其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。
采用频率逐点步进的测试方法。
无需对信号进行时域与频域的变换计算,通过对模拟量的测量与计算完成,且精度较高。
2.系统总体设计方案及实现框图
该系统以单片机为控制系统,用DDFS技术产生频率扫描信号,当系统在正弦信号的激励下,稳态时,响应信号与输入激励信号频率相同,其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。
可得1MHz-40MHz中任意频率的幅频特性和相频特性数据.并且在LCD同步显示相应的功能和数据,人机交互界面友好。
三.单元模块设计
1、AD9851正弦信号发生器
AD9851模块中晶振频率24MHZ,进入AD9851芯片后,在内部6倍频为144MHZ,通过改变输入控制字K(D0-D7)来改变输出正弦波频率fo=k*fclk/2,其中最小分辨率100KHZ,
AD8951正弦信号发生器
芯片介绍:
AD9851
引脚图
正交扫频信号源
原理图
功能方框图
2.待测串联RLC及加法器模块
RLC串联谐振电路
乘法器电路图
MC1496引脚图
3.RC滤波电路模块
RC滤波电路
四:
理论分析与计算
4.1扫频测试法理论依据
设频率响应为H(jω)的实系数线性时,不变系统在信号x(n)_Acos(ω0n+f)激励下的稳态输出为y(n)。
利用三角恒等式,可将输入表示为2个复指数函数之和:
因此,输出信号和输入信号是频率相同的正弦波,仅有两点不同:
第一,振幅被|H(ejω)|加权,即网络系统在ω=ω0的幅度函数值;
第二,输出信号相对于输入信号有一个数量为q(ω0)的相位时延,即网络系统在ω=ω0的相位值。
4.2DDS信号源
根据DDFS原理所产生的波形频率为:
式中fclk为基准频率,M为相位增量因子,N为累加器的位数。
M取22,N取24。
为得到100kHz的信号,而且在每个周期希望取到32个以上点,则累加器输出后级D/A转换需要至少3.2MHz的速度,于是选取建立时间为30ns、10位的DAC900,不仅满足了对D/A转换速度的要求,而且具有10位数据线,减少了D/A转换中固有的量化误差。
fclk取40MHz,频率的最小步进:
4.3相位差测量
设INl和IN2为两路具有相位差经整形后得到的方波信号,Gate2为INl和IN2经过异或后得到的脉冲信号,Fo为FPGA内部的标准高频脉冲信号,取40MHz。
将IN2八分频,结合单片机控制,可得到一个动态门控信号Gatel。
动态门控与脉冲信号相“与”,可得到门限内的有限个脉冲信号Gate2。
Gate1中含有IN2的4个周期,Gate2含有8个异或脉冲。
其中分别对clk进行计数,分别得到计数值M和N。
根据公式精确地测得相位差绝对值。
其时序如图2所示。
由于对高频脉冲计数可能存在±
1的误差:
在F=100kHz时,Mmin≈1600,则δmax(△ψ)≈0.9°
FPGA内部生成一个D触发器,以INl为触发器的数据输入,IN2为触发器的时钟输入,若触发器输出端为高电平,则△ψ>
O°
;
若输出端为低电平,则△ψ<
0°
。
5.系统软件设计
初始化系统:
加电后完成系统硬件和系统变量的初始化。
其中包括了外围元器件8255的状态设定。
等待功能键输入:
由键盘输入各功能选择:
包括点频测量(其中有显示频率、幅度、相位,打印测量结果),扫频测量,设置频率上限、下限及步进频率值。
显示、打印频率特性曲线等功能。
系统软件主要完成以下功能:
频率上、下限及步长的预置:
根据fo=10M(Hz),由fo反算出步长M后,送给波形发生器的相位累加器寄存器,然后锁存。
完成频率步进:
只要在原频率的基础上累加步长M,然后送出即可实现步进。
结果显示、打印:
由CPU把采样数据处理后送LED,在显示频率时,低五位LED显示结果,最高位LED显示标志“F”;
显示幅度时,低三位显示结果,最高位LED显示标志“U”;
显示相位时,当结果为正或零,第三位不显示,当结果负,显示“-”,低三位显示数值,最高位LED显示标志“P”。
需要时把测量结果转换成ASCⅡ码送打印机打印。
为了提高测量精度,软件设计中采用了多种滤波方法,如判断、平均等。
绘制、打印特性曲线:
在扫频模块中采样到的数据经CPU读入并存储在外部RAM,扫频完毕后由CPU读出经D/A变换后加到示波器Y轴上,同时由P1.6口发脉冲经计数器和D/A形成锯齿波扫描电压加到X轴上,每发完一组数据,P1.7口变化一次电平,以达到在示波器上同时显示幅频和相频特性曲线的目的。
打印时把相应的数据值送给打印机即可。
各子程序流程图如下: