基于單片機AT89C52的頻率特性測試儀設(shè)計

　　頻率特性測試儀也叫掃描儀，早期的頻率特性測試儀是通過手動改變頻率的方法逐點測量完成的，后來按照這種方法設(shè)計了專門的掃描儀用于頻率特性的測量。早期的測量儀大都采用分立元件來實現(xiàn)各種功能，顯示部分也是用傳統(tǒng)的示波器。所以體積大、設(shè)備重、故障率高、操作復(fù)雜、價格昂貴，有的只能測量幅頻特性，且精度不高。像BT6型超低頻頻率特性測試儀，就是采用分立元件。由于分立元件分散性大，參數(shù)變化與外部條件有關(guān)，因而產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定度差、精度低、抗干擾能力不強，成本反而高。

　　隨著頻率合成技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展，頻率特性測試儀也得到改進，掃頻源采用數(shù)字量進行控制，數(shù)字化信號源可以彌補分立元件的不足，測量部分也進行了數(shù)字化的改進，大多都在低頻段(小于1MHz)，測試儀的智能化程度仍然不是很高，掃頻范圍也不寬，相位測量精度也不高，雖然有一些測試儀也具有很高的精度和很寬的掃頻范圍，但是價格極其昂貴。

　　近幾年，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種儀器都偏向小型化、數(shù)字化、智能化、低功耗方向發(fā)展，頻率特性測試儀作為一種重要的測量儀器，也在不斷的發(fā)展，由于直接頻率合成(DDS)技術(shù)的日益成熟，為頻率特性測試儀的數(shù)字化開辟了道路，液晶顯示器技術(shù)的成熟使頻率特性測試儀小型化成為可能。

　　本文給出了數(shù)字式頻率特性測試儀系統(tǒng)的硬件設(shè)計。采用DDS技術(shù)作為掃頻信號源，同時采用了集成芯片CD4046對相位進行檢測和用運算放大器CA3140及其外圍模擬電路對幅度進行檢測，用單片機AT89C52進行測量控制和數(shù)據(jù)處理，使用液晶顯示器對測量結(jié)果進行圖形顯示。

　　系統(tǒng)設(shè)計

　　該系統(tǒng)要滿足性能指標(biāo)為掃頻范圍在100Hz～100kHz;頻率穩(wěn)定度10-4;測量精度為5%;輸出阻抗50 ;相位測量精度小于1度;能在全頻范圍內(nèi)自動步進測量，能夠預(yù)置測量范圍及步進頻率值。能顯示幅頻特性和相頻特性曲線，并能根據(jù)選擇，放大局部曲線，用對數(shù)坐標(biāo)和線性坐標(biāo)顯示，并配有文字標(biāo)注。

　　根據(jù)所要完成的測試功能及性能指標(biāo)，該系統(tǒng)由信號源電路、增益相位檢測電路、控制及數(shù)據(jù)處理電路和圖形顯示及接口電路四部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　信號源電路由信號發(fā)生器發(fā)生電路和信號調(diào)理電路兩部分組成。本系統(tǒng)中信號發(fā)生電路采用DDS技術(shù)實現(xiàn)，能夠產(chǎn)生頻率、持續(xù)時間等都是可控的掃頻信號，并能夠滿足一般用戶對頻率范圍的要求;信號調(diào)理電路主要是對信號中的噪聲進行抑制，并對輸出信號的功率起到控制作用。

　　增益相位檢測電路是為了檢測被測網(wǎng)絡(luò)兩端的幅度差和相位差。先對被測網(wǎng)絡(luò)兩端的信號進行預(yù)處理，再對其進行模擬檢幅和鑒相，然后把幅度差和相位差的模擬量由ADC0809轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送給控制及數(shù)據(jù)處理電路進行分析處理。

控制及數(shù)據(jù)處理電路要完成邏輯控制、數(shù)據(jù)處理和與人機接口三個功能，由單片機AT89C52完成。主要用于控制整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，并對測量及人機接口部分的數(shù)據(jù)進行分析處理。

　　圖形顯示及接口電路負(fù)責(zé)接收各種指令和顯示測量結(jié)果，例如，顯示掃頻率信號所需要的起始頻率、終止頻率、頻率間隔、單頻點持續(xù)時間等參數(shù)，以及測量結(jié)果。

　　信號源電路

　　掃描信號源框圖如圖2所示。輸出為正弦波形，頻率、幅度可數(shù)控。振蕩電路主要是為AD9851提供參考時鐘，通過對AD9851寫入不同的控制字使AD9851輸出的掃頻信號滿足不同情況的測試要求。

　　AD9851所產(chǎn)生的信號直接由器件內(nèi)部的DAC輸出，內(nèi)部不含低通濾波器，故要對其輸出信號進行濾波處理。

　　相頻特性測試電路

　　如圖3所示，鑒相電路將輸入和輸出信號分別通過電壓比較器整形為方波，然后送鑒相器，經(jīng)過低通濾波器取出直流成分，得到被測網(wǎng)絡(luò)相移信號，送A/D進行數(shù)據(jù)采集。本電路采用CD4046鎖相環(huán)的異或鑒相器進行鑒相。但是其只能給出相移的大小信息，無法判斷超前與滯后。因此，需要另加一個相位移極性判別電路。

　　幅頻特性測試電路

　　如圖4所示，采用有源峰值檢波器實現(xiàn)峰值測量，峰值檢波器將被測網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出信號的峰值檢出，再送至A/D轉(zhuǎn)換器完成量化。實際上，由于信號源的D/A及低通濾波器的特性能保證在100Hz～100kHz范圍內(nèi)的幅值保持不變，所以可以省去一路峰值檢波器及A/D，而只采集被測網(wǎng)絡(luò)的輸出信號。

　　在系統(tǒng)中采用二極管包絡(luò)檢峰法。利用二極管幅度檢測的方法，得到信號的正峰值。此法檢測的信號范圍小，但精度高，能夠滿足該系統(tǒng)的幅頻特性的測試要求。因此采用此方案。利用檢波二極管4088對輸出信號檢測，得到與信號峰值成比例關(guān)系的直流信號，在經(jīng)過運算放大器CA3140調(diào)整比例系數(shù)以便于單片機采樣。電路如圖5所示。

　　結(jié)語

　　設(shè)計了一個基于單片機頻率特性測試儀的成品。該系統(tǒng)基本達到了全數(shù)字化，這有利于縮小儀器的體積、減輕重量、降低成本，為用戶攜帶提供了方便。