简易频率特性测试仪.docx

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简易频率特性测试仪

简易频率特性测试仪

学生:

B11041003贾晓萍

B11041005吴磊

B11041026王淮成

一、方案论证与选择

1.扫描信号产生方案

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

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：