基于單片機(jī)控制的頻率特征測(cè)試儀設(shè)計(jì)

一個(gè)系統(tǒng)的頻率特征可通過頻率特征測(cè)試儀來測(cè)定。頻率特性測(cè)試儀也稱掃頻儀，用于測(cè)試被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性。他可以測(cè)量被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率、帶寬、帶外衰減、增益等，是電子領(lǐng)域的常用設(shè)備之一。模擬式掃頻儀價(jià)格較貴，且不能直接得到相頻特性，更不能保存頻率特性圖和打印頻率特性圖，給使用者帶來了諸多不便，為此沒計(jì)了此數(shù)字式頻率特性測(cè)試儀。

2 總體設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)控制信號(hào)源產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波，輸入到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)；被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出分別輸入幅度檢測(cè)電路和相位檢測(cè)電路，得到峰值和相位差值送入單片機(jī)進(jìn)行處理；單片機(jī)處理后的結(jié)果一方面提供給LED實(shí)時(shí)顯示，另一方面存人存儲(chǔ)器，供示波器顯示幅頻、相頻曲線。總框斟如圖2所示。

2.1 掃頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)

　　掃頻信號(hào)發(fā)生器是頻率特性測(cè)試儀的核心，他提供被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸入所需的頻率隨時(shí)間在一定范圍內(nèi)周期變化的正弦信號(hào)。掃頻信號(hào)產(chǎn)生的方法有鎖相環(huán)(PLL)及可預(yù)置分頻器、單片集成波形發(fā)生器、專用頻率合成器件及直接數(shù)字頻率合成(DDS)電路等。本系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，利用EDA技術(shù)，選用系統(tǒng)可編程邏輯器件ispCPLD芯片，構(gòu)成直接數(shù)字頻率合成器(DDS)來產(chǎn)生掃描正弦波。

　　直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Frequency Synthe-sis，DDS)是一種純數(shù)字化方法。因?yàn)镈DS具有超高速的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間，極高的頻率分辨率和較低的相位噪聲，在頻率改變與調(diào)頻時(shí)，DDS器件能夠保持相位的連續(xù)，因此很容易實(shí)現(xiàn)頻率、相位和幅度調(diào)制，此外DDS還具有可編程控制的突出優(yōu)點(diǎn)。DDS主要由相位累加器、正弦ROM表和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等組成，其核心是相位累加器，他由一個(gè)N位字長(zhǎng)的二進(jìn)制加法器和一個(gè)有時(shí)鐘fclk取樣的N位寄存器組成，作用是對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性累加。當(dāng)相位增量為1，累加器的字寬為32位時(shí)，輸出地址對(duì)應(yīng)于波形的相位分辨率為l／232。正弦ROM表中存儲(chǔ)著一張正弦函數(shù)查詢表，對(duì)應(yīng)不同的瞬時(shí)相位碼輸出不同的幅度編碼。工作時(shí)往DDS中寫入控制字到相位累加器并轉(zhuǎn)化成瞬時(shí)相位，在外部參考時(shí)鐘的作用下，每個(gè)時(shí)鐘周期相位累加器累加相位步進(jìn)一次，對(duì)應(yīng)的幅度編碼輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D／A)，把數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，再通過低通濾波器平滑后得到最后需要的信號(hào)。并且該模擬正弦波與一門限電壓進(jìn)行比較可得到同頻率的方波時(shí)鐘信號(hào)，他將所需正弦波一個(gè)周期的離散樣點(diǎn)的幅值數(shù)字量存入ROM中，然后按一定的地址間隔(相位增量)讀出，并經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器形成模擬正弦信號(hào)，再經(jīng)低通濾波器得到質(zhì)量較好的正弦信號(hào)。

　　信號(hào)發(fā)生器輸出波形的頻率f0定義為：

　　其中fc為晶振頻率，k為分頻比，N為相位累加器位數(shù)，M為相位累加器的增量(步長(zhǎng))。

　　本設(shè)計(jì)中取fc=32.768 MHz，k=50，N=16，代入上式可得：

　　這樣只要控制M的值就可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)10Hz的要求。這里時(shí)鐘頻率為：

　　式中，△phase為頻率控制字，sysclk為系統(tǒng)時(shí)鐘，clkin為DDS的輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘頻率，N為頻率寄存器的位數(shù)，M為相位偏移寄存器的位數(shù)。頻率控制字△phase決定著輸出信號(hào)的頻率值；最小頻率分辨率由頻率寄存器的位數(shù)N決定，N越大，頻率分辨率越高；相位分辨率由相位偏移寄存器的位數(shù)決定，幅度分辨率由D／A轉(zhuǎn)換器的精度決定。