频率特性测试仪

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1、.频率特性测试仪摘要：本系统设计了一个频率特性测试仪，使用TI公司的16位单片机MSP430F149作为中央控制器，结合DDS集成芯片，利用LM339构成的比较器得到方波；利用74LS74和74LS86组成鉴相器，实现相位差数值和相位差正负的检测；利用AD637芯片等组成有效值检波器，实现被测信号幅值的检测,利用X-Y方式显示幅频和相频的波形；并且通过软件编程实现按键控制和数码管显示，并保证频率显示为5位，电压显示为3位。频率范围是100-100kHz，步进为10Hz。关键词：MSP430F149，DDS，双T网络，幅频，相频一、方案比较与论证1．系统总体方案描述该系统以

2、单片机为控制核心，用直接频率合成技术(DDS,DirectDigitalSynthesis)技术产生频率扫频信号，采用真有效值检测器件AD637测量信号幅度。在DDS中，以单片机和芯片AD9850软硬件的结合可得到被测网络的幅频特性数据，实现在该频段的自动扫描，并在示波器上同时显示幅频特性曲线。图1给出系统总体设计框图。图1系统总体设计框图2.方案论证与选择2.1扫描信号的产生方案一：采用数字直接频率合成技术(DDFS)。以单片机和FPGA为控制核心,利用FPGA中的N位地址存储相应的正弦表值，通过改变频率控制字K，寻址相位累加器的波形存储器的数据,

3、以产生所需频率的正弦信号fout=fin*K/2N。该方案频率比较稳定，抗干扰能力强，但程序实现会有一定的繁琐性，并且会占用FPGA资源。...方案二：采用程控锁相环频率合成方案。锁相环频率合成是将高稳定度和高精确度的标准频率经过加减乘除的运算产生同样稳定度和精确度的大量离散频率，在一定程度上解决了既要频率稳定精确、又要频率在较大范围可变的矛盾，能产生方波，通过积分电路就可以得到同频率的三角波，再经过滤波器就可以得到正弦波，但采用了多次积分电路，这种具有惰性特性的电路误差大且不能满足相频曲线和幅频曲线的输出要求，功能扩展能力有限。方案三：采用DDS芯片AD9850。根据题

4、目要求，结合性价比，我们选用AD9850。AD9850是AD公司采用先进的DDS技术生产的具有高级集成度的DDS器件，它的最高工作时钟为180MHz，正常输出工作频率范围为0～72MHz，精度可达0.04Hz，它还具有调频和调相功能，通过单片机的适当控制便可产生高带宽的正弦波信号。该方案产生的信号频率稳定度较好，操作简易，但抗干扰性有一定的的不足。综上论证比较：与DDFS及锁相环频率合成相比，采用DDS芯片合成正弦信号的频率建立与切换简单，频率单一，频率覆盖范围广，精度高，可控性强，功能扩展能力大。故采用方案三。2.2相位的检测方案一：A/D采样法查找最值法。采用两片高速

5、A/D转换器同时对输入的两路信号进行等时间间隔采样并将其分别存储，然后对所测信号的波形数据进行分析。用单片机扫描存储在RAM中的波形数据，查找出两部分数据的最大值或最小值，计算出两片A/D转换器采集两部分波形数据的最大值或最小值的时间间隔，则信号的相位差可由下式得到：Фx=(Tx/T0)*360°其中，Tx为两路信号相临最值的时间间隔，T0为信号周期。这种方案需要用软件对大量的波形数据进行处理才能达到较高的精确度,且采集时间间隔难以精确控制。方案二：FPGA鉴相法。基于FPGA数字逻辑处理功能。将待测网络的正弦信号输入和输出端分别通过一个过零比较器，对两路线输出方波信号进

6、行“异或”操作，所得脉冲的宽度可反映相位差的大小，这就将对信号相位差测量转化成对脉冲的占空比的测量。分别测量脉冲高电位时间内与原方波周期内的基准源脉冲数Nh与Nt。则信号相位差为：Фx＝（Nh/Nt）*360°这种方案以主控芯片的时钟信号作为计数脉冲，但原方波信号及脉冲信号都要是单个不长的时间单位，其数值相对较小，故存在误差。当待测信号频率较高时误差会更大。方案三：考虑方案二中误差的主要来源，测量中采用多周期同步计数法，此方案基于方案二，对输入信号周期进行填充式脉冲计数。其原理为：用FPGA产生一个门宽为1秒闸门信号，将FPGA的40MHZ时钟频率5倍频为200MHZ，用

7、闸门信号与倍频时钟脉冲“相与”送入计数器1，进行计数，计数值为N1。将同步闸门信号、鉴相脉冲和时钟脉冲三者“相与”后送入记数器2，进行记数，计数值为N2，则相位差为：Фx＝（N2/N1）*360°。此方法缺陷来自于所其的闸门信号宽度并非整个原信号周期，这样会带来一定的误差，但其实这种误差在允许范围内是可以忽略的。总体上在测量高频率时更精确。综上采用方案三。2.3幅值的检测方案一：峰值检波法。用二极管电路和电压跟随器组成的峰值检波电路，其原理为：当输入电压正半周通过时，检波管导通，对电容C...充电。适当选择电容值，使得电容放电