综合测试仪作品2.docx

1、综合测试仪作品2 简易综合测试仪 作者：马智泉 罗星宝 陈小乔（华中科技大学）竞赛辅导老师：尹仕 刘志强 报告指导老师：刘志强摘要：本测试仪是由以数字频率直接合成芯片AD9851为核心的电平振荡器和采用真有效值转换集成电路AD637的电平测量仪两部分组成的综合测试仪器。电平振荡仪合成的正弦信号带宽可达0.2Hz30MHz，分辨率为0.2Hz，幅值可数控调节。电平测量仪通过真有效值变换测量交流信号的有效值，测量精确度达0.02V。本测试仪还具有幅频特性测试和数据采集存储回放的功能。关键词：单片机，直接数字频率合成，真有效值变换一、方案设计与论证：本设计分为电平振荡器和电平测量仪两个部分，分别实现

2、产生频率和幅值可控的信号和检测宽频带交流信号的功能，有以下几种方案：1电平振荡器方案一：利用锁相环产生所需频率的存储器寻址脉冲来读取EPROM存储器中的预置的波形数据，通过D/A数模转化产生正弦信号。该方案中，锁相环能锁住的频带范围有限，难以实现宽频带的要求，特别是不适合低频信号的产生。 图1 采用锁相环的系统框图方案二：采用模拟乘法器14527进行数控分频，产生的寻址信号读取EPROM中存储的波形数据，由于寻址脉冲的精度取决于晶振的输出，所以其输出信号频率精度高，可控性好。其缺点是普通存储器的工作速度很难超过1MHz，难以产生高频正弦信号 方案三：采用专用的直接数字频率合成集成电路AD985

3、1直接合成信号。其主要优点有：（1）频率转换快：DDS频率转换时间短，一般在纳秒级；（2）分辨率高：大多数DDS可提供的频率分辨率在1 Hz数量级，许多可达0.001 Hz；（3）频率合成范围宽；（4）相位噪声低，信号纯度高。图2 AD9851的应用框架图权衡利弊后，本设计采用方案三。2电平测量仪方案一：采用高速A/D电路进行数模转换，实时采集振荡信号的电压数据，用单片机对采集来的数据进行有效值计算。本测试仪的电平振荡器的最高发生频率在1MHz以上，根据奈奎斯特抽样定理，要还原一个模拟信号，A/D转化电路的离散采集速度至少为模拟信号频率的两倍即2MHz，同时单片机还要进行复杂的数字信号处理。普

4、通单片机难以达到如此高的工作速度，因此该方案不可行。方案二：利用交流真有效值转化芯片 AD637可直接将交流信号转化为直流有效值信号，再用低速A/D集成电路（ADC0809）采集直流电压数据，该方案的优势在于AD637对交流小信号的测量非常准确，带宽大。8 MHz输入时最小信号为2 V RMS，600 kHz可达100 mV RMS，测量准确并且调试简单。为了保证小信号电平的测量精度，先通过单片机控制的前极模拟电路对被测信号进行自适应的放大，再用A/D转化电路，单片机和存储器采集电平数据，很好地满足了题目所要求精度，因此采用此方案。二、电路设计与理论计算1. 电平振荡器电平振荡器以直接数字频率

5、合成器AD9851作为核心，该芯片由32位相位累加器、正弦函数功能查找表、D/A变换器以及低通滤波器集成到。这种高速DDS芯片时钟内部最高工作频率可达180MHz， 最大输出频率可达70 MHz，最大分辨率为0.04Hz。由于内部集成了时钟6倍频器和一个高速比较器，要达到180MHz的参考频率仅需一个30MHz晶振，减小了高频辐射，提高了系统的电磁兼容能力。 图3 电平振荡器的硬件结构框图(1)合成频率值的控制：本设计中参考频率选用20MHz有源晶振，则经AD9851内部倍频器6倍频后的系统时钟为120MHz，由频率直接合成公式： 因此在20MHz晶振产生的参考频率下的最大分辨率可达0.03H

6、z。AD9851内部有5个输入寄存器，储存来自外部数据总线的32位频率控制字，单片机通过对32位控制字的赋值则可精确控制最终合成的信号频率。最终合成信号的频率为： 由于DDS的最大输出频率受奈奎斯特抽样定理限制，所以：，本设计的。AD9851集成的正弦函数表位数N值为32 ，其中为单片机所输入到AD9851的二进制32位频率控制字。(2)合成幅值的控制：将DDS输出的交流信号输入到高速数模转化芯片TLC7524的基准电压端，通过单片机控制TLC7524的数模转化量Data实现信号的数控衰减。其中：为输入基准电压，Data为对D/A TLC7524的8位控制字。后级幅值控制电路是固定增益的线性放

7、大电路，此放大电路采用宽频带运算放大器LF357减小幅频响应引起的非线性误差。前级数控衰减和后级固定增益放大的设计使得电路可对信号幅值进行大范围地数控调节，达到了题目所要求的电平可控的要求。(3)使用继电器实现数控开关：考虑到模拟开关具有导通电阻，而其电阻还将受到频带的影响。本设计中的数控开关均使用继电器实现，利用SPCE061A单片机IO口通过缓冲芯片74LS06提供导通偏置电压，实现开关的数控功能。继电器的导通电阻近似为零，这就减小了误差，并且简化了振荡器工作前的系统调零工作。 图4 电平振荡器电路图2电平测量仪电平振荡器主要由进行真有效值变换的AD637部分和对直流电压信号采样的ADC0

8、809部分构成。ADC0809采集来的数据经单片机处理计算得输入交流信号的真有效值。 图5 电平测量仪系统框图(1)AD637部分。本设计采用交流真有效值转化芯片AD637，所谓真有效值是“真正有效值”之意，其英文缩写为TRMS（True Root Mean Square），将交流转化为直流有效值，再用A/D芯片转化电路实现数据的采集和处理。该设计受频率的影响小，且计量准确度高。交流有效值的公式为：，为输入交流信号的离散电压值，N为AD637测量采样总次数。由于AD637测量电压幅值较小的信号的误差略大，所以对输入的交流信号先采取分级放大处理，该放大电路可通过单片机控制继电器控制其放大系数。经

9、过放大电路后的交流信号电压值为：，为自适应放大电路的放大系数，为原输入交流信号的电压值。(2)ADC0809部分。模数转化集成电路ADC0809是个8路A/D转化电路，直接用凌阳单片机产生5kHz脉冲信号驱动。ADC0809的ADD A、ADD B、ADD C，三个引脚控制数模转化8个通道的选择，本设计仅用ADC0809的IN0通道。单片机给予ADC0809的ALE及START低电平，启动ADC0809芯片后，经8个CLK时钟，EOC返回高电平，此时单片机读数并计算待测信号的有效值，译码驱动Led电路显示测量结果。直流信号的AD采样的结果为：经上述公式推算得，通过采集的数据计算实际交流信号的有

10、效值为： 单片机检测Data值的大小，改变放大电路的放大系数，使电路构成一个闭环系统，控制Data的值在合理的范围以保证测量精确度。图6 电平测量仪电路图 3. 直流稳压源 图7 直流稳压源电路图本模块为测试仪的供电部分，包括了+15V,15V,5V，5V四种直流稳压输出。220V交流电经变压器降压、整流、滤波后供给稳压芯片LM7815,LM7915得到+15V,-15V直流电压。+5V，-5V电路如同理。4.LED显示本设计采用数码管作为用户显示界面。74HC164为八位串进并出移位存储器，单片机译码并通过串口向74HC164输送串行七段数码管数据。再由74HC164驱动数码管显示数字。该串

11、行电路的设计精简了单片机的IO口，使单片机的资源得到充分利用。 图8 串行数码管显示电路三、软件设计与分析整体流程：本设计考虑到电平振荡器和电平值测量器可以作为两个独立的模块进行工作，保证系统稳定性，同时由于IO口的限制，分别采用两个单片机控制这两个模块。(1)44键盘控制：先置单片机IOA0IOA3为带数据缓存器的高电平输出，置IOA4IOA7为带下的输入，此时若有键按下，取IOA4IOA7的数据得到一个高电平值，把此值保存下来后，再置IOA4IOA7为高电平输出，置IOA0IOA3为输入，此时若键仍没弹起，IOA0IOA3的数据将接收到另一个值，把这两个值组合即可查表得到键值。(2)ADC

12、0809的基频产生：利用单片机的可编程计数器溢出产生固定频率的PWM波，计数器时钟CP为单片机的系统时钟的分频，计数器从预置值x到计满65535产生一个溢出信号，从而产生频率、占空比可编程的PWM波，本设计中，由单片机的复用IO口产生f5KHz，占空比为50的方波，驱动ADC0809进行数模转化。(3)AD9851的控制：参见本文关于AD9851的论述部分。根据AD9851的频率控制算法向AD9851的D0D7端口分四次输送32位的频率控制数据，并触发使能端。数据的计算：ADC0809采集到的数据Data，换算成电压，再换算成增益： 功能键设置：功能键有F1信号产生，F2电平测量，F3存储回放

13、。 图9 整体软件流程图1电平振荡器部分：键盘输入电平的频率和幅值大小，单片机实时控制电平振荡器（DDS）频率，并通过控制DAC TLC7254精确调幅，同时驱动数码管显示频率和电压值。图10 电平振荡器部分程序图2 电平测试仪部分：单片机的复用IO口产生5kHz的PWM信号驱动ADC0809，当ADC0809的EOC输出高电平读取ADC0809的DATA值并将数据存储到单片机内部集成的FLASH存储器。若检测到所测电压值低于0.7V时，单片机触发继电器开关选择前级通路切换到放大状态，使得AD637对放大后的电压进行采样转真有效值，单片机在数据处理时再将其按同样的电压放大系数还原修正，则电路可

14、以减小AD637在较低电压下带来的精度误差，扩展信号的测量范围。 图11 电平测量仪的程序流程图四、测试方法与数据1测试仪器：数字示波器Tektronix TDS1002，函数发生器EE1641B。2测试结果：本次制作分两大的模块：1，波形函数发生模块。2，电压测量模块由于赛题中扩展部分要求频率带宽要达到1MHz，在两个模块中都产生了明显的频率响应对电压值衰减的问题，调试过程中，我们尝试了大量的运放芯片以及分立元件电路的综合调试，考虑到简易度和稳定性，我们选用了 电压跟随1级放大2级放大的发大模式，并采用带宽较大的集成运放芯片LM357，OP37，使线性度的拟合达到了很好的效果。本装置的测试数

15、据如下图表1电平振荡器测试结果电平振荡器频率选值200Hz100KHz990KHz理论选值Vop-p=2.19V 实际输出2.20V实际输出2.20V实际输出2.20V理论选值219mV(-20db)2.19V(0db)21.9V(20db)不同频率段实际输出值f=100Hz218mV2.19V21.9Vf=500Hz219mV2.19V21.8Vf=500KHz210mV2.17V21.3V 表2电平振荡器测试结果（续）电平振荡器的性能在200KHz时的详细测试值（续表）电平值（db）理论有效值（V）理论峰峰值（V）实调峰峰值（V）相对误差20db7.7521.922191004%10db2

16、.456.930 6940014%0 0.7752.1912200041%-10db0.2450.5590.600081%-20db0.07750.176017811%-30db0.0245 0.0559 006017%表3电平电压表测试结果电平电压表测量选值Vip-p=5V（理论要求值）200HZ实测值100KH实测值990KHz实测值5.00V5.01V4.98V理论要求选值500KHzVip-p=21.9V实际显示值19.9 （db）实际显示值21.7V500KHzVip-p=2.19V实际显示值0.02 （db）实际显示值2.18V500KHzVip-p=219mV实际显示值-20.3

17、（db）实际显示值212mV500HzVip-p=21.9V实际显示值19.9 （db）实际显示值21.8V500HzVip-p=2.19V实际显示值0.00 （db）实际显示值2.19V500HzVip-p=219mV实际显示值-20.4（db）实际显示值211mV结论：本装置测试结果误差小，完成了题目的要求。电平振荡器的输出带宽大，精度高，由于幅频响应所带来的非线性失真也被有效的降低，达到了设计的要求。但电路的控制略显复杂，高频段的非线性失真仍有减小的余地，如果条件和时间允许，相信本设计会更加完善。AbstractThis design consists of the following

18、modules: the wave generator based on Direct Digital Frequency Synthesizer (DDFS) technology and the signal true rms value detector which is designed by using a RMS-to-DC converter AD637. The frequency bandwidth of the wave generators output signal is from 0.2Hz to 30MHz, the frequency precision is u

19、p to 0.2Hz and the amplitude can be numerical controlled. This equipment also has the functions of Frequency/Voltage characteristic analysis and data collecting, restoring and replaying. 参考文献:1.薛钧仪 凌阳16位单片机原理与应用 北京 北京航天航空大学出版社, 20032何小艇:电子系统设计. 杭州. 浙江大学出版社 20003全国大学生电子设计大赛获奖作品选编. 北京:北京理工大学出版社,20014康华光.电子技术基础模拟部分. 武汉:华中理工大学出版社 19985单片微型计算机原理与应用.华中科技大学出版社.1996EB/01