音频频率数字扫频仪剖析.docx

1、音频频率数字扫频仪剖析C2000参赛项目报告（命题组）题 目：音频频率数字扫频仪学 校：华中科技大学目 录题 目：音频频率数字扫频仪 1目 录 2音频频率数字扫频仪 4Digital Audio Frequency Sweep Generator 41 引言 42 系统指标 53 系统方案 53.1 总体介绍 53.2 PWM作为DA转化的原理 63.3 输出扫频信号频率的控制 63.4 幅频特性测试原理 73.4.1 测单频正弦信号峰峰值 73.4.2 测带阻网络的幅频特性 73.5 幅频均衡原理 83.6 与传统的测量带阻网络幅频特性方法的比较 83.7 算法及数据处理 83.7.1 扫频

2、信号频率的控制 83.7.2 带阻网络幅频特性测试 93.7.3 数字幅频均衡算法 93.8 理论误差分析 114 系统硬件设计 114.1 DSP选择与最小系统 124.2 低通滤波器 124.3 带阻网络 134.4 电源管理模块 通讯模块 145 系统软件设计 155.1 软件总体框图 155.2 初始化模块 155.3 中断模块 155.4 扫频信号产生模块 165.5 幅频特性测试模块 175.6 幅频均衡模块 175.7 串口通讯的软件设计 186 系统关键设计与创新 207 评测与分析 207.1 评测 207.1.1 测试仪器 207.1.2 测试方法 217.1.3 测试条件

3、 217.1.4 测试结果 217.2 分析 248 附录 258.1 PCB照片 258.2 现场测试照片 258.3 通讯窗口 268.4 幅频特性曲线 268.4.1 扫频信号直接接至输入端的幅频特性曲线 268.4.2 带阻网络1幅频特性曲线 278.4.3 带阻网络2幅频特性曲线 278.4.4 带阻网络3幅频特性曲线 28音频频率数字扫频仪宋明聪 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TMS320F28234 DSP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

4、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、DSPDigital Audio Frequency Sweep GeneratorSONG Ming-cong，ZHUANG Yan，XIAO Wei-hua(School of Electronics & Information

5、Engineering, Huazhong University of Science & Technology)Abstract：A digital audio frequency sweep generator is developed with TMS320F28234 DSP chip in our design. The system consists of a sweep signal generation and conditioning module, band-stop network module, amplitude-frequency characteristic te

6、st module, digital amplitude-frequency equalization module and interaction module. The sweep signal generated by PWM module inner DSP pass the low-pass filter and then input the band-stop network. Digital signal processing technology is used in DSP to test the amplitude-frequency characteristic, and

7、 the test results are showed on computer monitor by the SCI of DSP, the amplitude-frequency equalization section computes the coefficients and order of the filter by matlab and trap characteristic measured in the basic part, then we achieve the equalization of the band-stop network, and complete all

8、 the requested indicators.Key words：SPWM, amplitude-frequency characteristic, digital equalization, DSP1 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

9、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TMS320F28234 DSP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2020kHz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20-20KHz20-120KHz步进大小1Hz0.1Hz信号幅度0-3

10、V0.65v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-0.5639d0.3883dB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

11、。图3.1 总体框图3.2 PWM作为DA转化的原理1 2 3 3.1 3.2 图3.2 PWM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 , DD

12、S的频率分辨率即最低频率为： = (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： 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

13、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

14、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

15、设为500KHz，所以本设计达到的最小分辨率为= 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：20Hz1KHz：采样率为29412Hz1KHz20KHz：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：Vpp= (5)