应教051王会彦―基于单片机的频率特性测试仪

河南科技学院2009届本科毕业论文（设计）论文题目：基于单片机的频率特性测试仪学生姓名：王会彦所在院系：机电学院所学专业：应用电子技术教育导师姓名：田熙燕完成时间：2009年5月27日摘要本文主要以单片机为控制核心，设计了一个频率特性测试仪。文中主要阐述了该仪器的结构、工作原理和性能特点。整个系统主要包括控制电路、数控扫频信号源电路、峰值测量电路、相位差测量电路以及数控衰减网络。该仪器硬件结构简单，软件设计灵活，具有测量范围宽、精度高、使用方便等特点。关键词:直接数字频率合成（DDS）;电子测量;幅频特性;相频特性;单片机1FrequencyCharacteristicInstrumentBasedonSingle-chipComputerAbstractThispaperpresentsatypeoffrequencycharacteristictestingmeterwhichisbasedonsinglechipmicrocomputer.Itmainlyexpoundstheinstrumentstructure,workingprincipleandcharacteristics.Thesystemmainlyconsistedofnumericalcontrolcircuit,signalcircuit,sweepingcircuitandCNCattenuationnetwork.Thisinstrument’shardwarestructureandsoftwaredesignflexible,simplewithwidemeasurerange,highprecision.Anditiseasytouse.Keywords:DDS;Electronicmeasurement;Amplitude-frequencycharacteristic;Phase-frequencycharacteristic;Single-chipmicrocomputer2目录1绪论………………………………………………………………………………....12系统总体方案设计…………………...…………………………………………….错误!未定义书签。2.1频率特性的基本概念……………………………………..………………………...12.2测量原理………………………………………………..……………..........................13系统硬件原理框图设计……………………………..………………………………...........23.1控制电路设计……..……………………………………………………….................33.1.1最小单片机系统………………………..………………………………….33.1.2通信接口电路………...……………………………………………………...33.2数控扫频信号源的电路设计…………………………………...……………….43.2.1直接数字合成芯片AD7008介绍………………...………………………43.2.2AD7008与单片机的接口电路……………………..…………………….53.2.3低通滤波器设计………………..…………………………………………..73.2.4信号放大输出电路…………………..…………………………………….83.3相位测量电路设计…………...…………………………………………………......93.3.1相位测量原理框图………………..………………………………………...93.3.2测相电路硬件设计……………………………………………………..…...93.4幅值测量电路设计……………………...……………………………………......103.4.1峰值检测电路………………………..…………………………………....103.4.2A/D转换器MAX197介绍………………………………………………133.4.3MAX197和单片机的接口电路…………………………………………153.5输入衰减电路设计………………………………………………………..154系统软件设计……………………………………………………………….........................164.1单片机通信程序的实现………………………………………………………….164.2单片机测量控制程序的设计…………………………………………………..174.2.1频信号源的控制程序设计……………………………………………...174.2.2相位测量程序的设计…………………………………………………….194.2.3幅值测量程序的设计…………………………………………………….205结束语.....................................................................................................................22致谢.............................................................................................................................22参考文献.....................................................................................................................2331绪论在电路测试中，常常需要测试频率特性．电路的频率特性体现了放大器的放大性能与输入信号频率之间的关系，频率特性测试仪是显示被测电路幅频、相频特性曲线的测量仪器。传统扫频仪不仅价格昂贵、体积庞大，而且只能显示幅频特性曲线，不能得到相频特性曲线，更不能打印被测网络的频响曲线，给使用带来诸多不便．为此，设计了一种基于单片机的频率特性测试仪。在此主要采用集成的直接数字合成波形DDS技术及单片机系统构成外围测量电路设计了一个频率特性测试仪。该仪器硬件结构简单，软件设计灵活，具有测量范围宽、精度高、使用方便等特点。2系统总体方案设计2.1频率特性的基本概念频率特性指系统传递不同频率的正弦信号的性能，包括幅度频率特性和相位频率特性。幅度频率特性描述系统对于不同频率的输入正弦信号在稳态情况下的衰减或放大特性；相位频率特性描述系统的稳态输出对于不同频率的正弦输入信号的相位滞后或超前的特性。2.2测量原理对于一个电子部件，一个网络或一个系统的频率特性是可以用实验方法测试。测试方法有点频测量法和扫频测量法。点频测量法的方框图如图1所示。测试时，信号源的频率由低至高逐点调节，幅度保持不变，同时分别读出电压表的数值。然后把信号频率的变化定为横坐标，以电压幅度定为纵坐标，逐点画出各频率点对应的电压值，便可以描绘出平滑曲线，即得到被测系统的幅度频率特性曲线。图1点频测量的方框图扫频测量法是点频测量法的改进，其方框图如图2所示。一方面，改进测试信号源，用扫频信号源把逐点调节频率改为逐点扫动频率；另一方面，改进接收信号的指示器，使信号随频率变动的轨迹用示波器直观地显示出来，从而直接得正弦信号发生器电压表电压表示波器被测电路4到被测系统的幅度频率特性曲线。通常把扫频信号发生器、峰值检波器、示波器、频标信号发生器组成一个整体，即为频率特性测试仪，也称为扫频仪。图2扫频测量方框图3系统硬件原理框图设计随着数字测量技术和计算机技术的迅速发展，设计和制作扫频仪的技术条件也越来越先进。本文以单片机为主要控制中心，针对频率特性的扫频测量法从以下三个方面进行入手:一是测试信号源，运用直接数字合成波形DDS技术将由扫描电压控制振荡频率的正弦振荡器用由单片机控制的数字合成扫频信号源代替；二是测量结果的表达方式，峰值检波器的输出用A/D转换器实现从模拟量到数字量的转换。将所得数字量通过串口传送给PC机，利用PC机强大的显示和打印功能实现对被测电路的频率特性曲线的显示和打印。三是利用PC机强大的运作能力，对所测得数据进行分析处理，拟合出近似的被测电路频率特性的数学公式和传递函数。系统的原理框图如图3所示。图3系统原理框图测试过程为:通过PC机上的软面板输入测试信号的频率范围、信号幅度、扫频方式和输入的衰减系数等参数。单片机通过串口从PC机接收指令和数据，控制扫频信号源产生所需要的扫频信号，同时控制幅度测量和相位差测量并且将数据存储和回传到PC机。PC机对单片机回传的数据进行分析处理，再在显示器上显示测量结果或在打印机上打印测量结果。系统主要由以下几部分组成:控制电路、数控扫频信号源部分、峰值测量电路、相位差测量电路以及数控衰减网络。控制电路以单片机为核心对系统的扫频信号发生电路和信号输入衰减和测量电路进行控制；数控扫频信号源根据控制电通信接口PC机数控扫频信号源A/D转换模块峰值检波器相位差测量模块被测电路衰减网络最小单片机系统5路给出的参数产生扫频信号；峰值测量电路在控制电路的控制下测量不同频率对应的输出信号和输入信号的峰值:相位差测量电路测量不同频率对应的输出信号和输入信号之间的相位差；数控衰减网络是一个由单片机控制的分压电路，实现对输入信号的衰减。3.1控制电路设计控制电路主要由最小单片机系统和串口通信接口构成。单片机通过串口从PC机获得控制参数，再对数控扫频信号源、峰值测量电路、相位差测量电路以及数控衰减网络进行控制。3.1.1最小单片机系统在本系统的设计中，为了硬件设计的方便选用C51系列单片机中带有8KFLASH程序存储器的AT89C52单片机构成最小单片机系统。由于系统要求临时存储大量的数据，需要扩展外部数据存储器，本设计采用4片6264扩展32K的外部数据存储器．由单片机控制的外围器件和电路(存储器6264、DDS芯片AD7008、A/D转换芯片MAX197以及数控衰减网络)都具有与微处理器总线兼容的并行接口。因此单片机组成的最小单片机系统采用并行外围扩展，数据传送由数据总线DB完成，外围功能单元寻址由地址总线AB完成，控制总线则完成传输过程中的传输控制，如读、写操作等。3.1.2通信接口电路本系统中，单片机和PC机之间只是进行近程的小批量的数据通信。因此，在设计时硬件上采用三线制(RXD、TXD、GND)软件握手方式，即将PC机和单片机的“发送数据线(TXD)”与“接受数据线(RXD)”交叉相连，两者的地线(GND)直接连接，而其它信号线如握手信号线等均不使用，而采用软件握手。由于RS232C是为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准，其逻辑电平对地是对称的，与TTL逻辑电平完全不同。RS232C标准的逻辑“0”电平规定为+5到+15V之间，逻辑‘1’电平规定为-5到-15V之间。因此，将PC机串口和单片机的串口的RXD和TXD交叉连接时必须进行电平转换。MAX232芯片是MAXIM公司生产的包含两路接收器和驱动器的IC芯片，其内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电压变换为RS232C所需要的+10V和-10V电压。所以采用此芯片只需单一的+5V电源就可以，电路简单。PC机与单片机串口通信硬件连接如图4所示。6图4PC机与单片机串口通信硬件连接在图4中MAX232芯片的外接电容C1、C2、C3、C4及V+，V-是电源变换部分。在实际应用中，器件对电源噪声很敏感。因此对地须加去藕电容C5，其值为0.1pF。电容C1、C2、C3、C4取同样数值的电解电容1.0uF，用以提高抗干扰能力。芯片的T1in，T2in可以直接接TTL/CMOS电平的MCS-51型单片机的串行发送端TXD；R1in，R2in可以直接接PC机的RS232C串口的发送端TXD；T1out，T2out可以直接接PC机的RS232C串口的接收端RXD；R1out，R2out可以直接接TTL/CMOS电平的MCS-51型单片机的串行接收端RXD。3.2数控扫频信号