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引言 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各種功能，顯示部分也是用傳統的示波器。所以體積大、設備重、故障率高、操作復雜、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，參數變化與外部條件有關，因而產生的頻率穩定度差、精度低、抗干擾能力不強，成本反而高。 隨著頻率合成技術及微電子技術的發展，頻率特性測試儀也得到改進，掃頻源采用數字量進行控制，數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，隨著現代電子技術的飛速發展，各種儀器都偏向小型化、數字化、智能化、低功耗方向發展，頻率特性測試儀作為一種重要的測量儀器，也在不斷的發展，由于直接頻率合成(DDS)技術的日益成熟，為頻率特性測試儀的數字化開辟了道路，液晶顯示器技術的成熟使頻率特性測試儀小型化成為可能。 本文給出了數字式頻率特性測試儀系統的硬件設計。采用DDS技術作為掃頻信號源，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進行測量控制和數據處理，使用液晶顯示器對測量結果進行圖形顯示。 系統設計 該系統要滿足性能指標為掃頻范圍在100Hz～100kHz;頻率穩定度10-4;測量精度為5%;輸出阻抗50 ;相位測量精度小于1度;能在全頻范圍內自動步進測量，能夠預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，并能根據選擇，放大局部曲線，用對數坐標和線性坐標顯示，并配有文字標注。 根據所要完成的測試功能及性能指標，該系統由信號源電路、增益相位檢測電路、控制及數據處理電路和圖形顯示及接口電路四部分組成，系統框圖如圖 1所示。 
信號源電路由信號發生器發生電路和信號調理電路兩部分組成。本系統中信號發生電路采用DDS技術實現，能夠產生頻率、持續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絡兩端的幅度差和相位差。先對被測網絡兩端的信號進行預處理，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轉化為數字量，送給控制及數據處理電路進行分析處理。 控制及數據處理電路要完成邏輯控制、數據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的協調工作，并對測量及人機接口部分的數據進行分析處理。 圖形顯示及接口電路負責接收各種指令和顯示測量結果，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、單頻點持續時間等參數，以及測量結果。 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所產生的信號直接由器件內部的DAC輸出，內部不含低通濾波器，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，經過低通濾波器取出直流成分，得到被測網絡相移信號，送 A/D進行數據采集。本電路采用CD4046鎖相環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峰值測量，峰值檢波器將被測網絡的輸入和輸出信號的峰值檢出，再送至A/D轉換器完成量化。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，而只采集被測網絡的輸出信號。 在系統中采用二極管包絡檢峰法。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系的直流信號，在經過運算放大器CA3140 調整比例系數以便于單片機采樣。電路如圖5所示。 結語 設計了一個基于單片機頻率特性測試儀的成品。該系統基本達到了全數字化，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。 參考文獻： [1] 操長茂. 基于DDS的信號發生器的設計[J]. 半導體技術, 2003,28(12):44-46 [2] 魏春英, 李虹. 基于DDS的信號發生器的設計[J]. 寧夏工程技術,2009,8(4):355-357 [3] 王文理, 王麗. DDS在數字頻率特性測試儀中的應用[J]. 國外電子元器件,2007,1:20-23 [4] 伍玉, 夏新凡. 頻率特性測試儀的設計[J]. 電子設計工程,2009,17(2):30-32 [5] 肖炎根.基于DDS的數字移相正弦信號發生器的設計[J].電子元器件應用, 2009,11(12): 53-58 作者：韓忠華 馬斌 王石 王長濤 沈陽建筑大學信息學院 時間：2010-06-21 |
