張國云，陳　松，榮　軍，劉志昌（湖南理工學(xué)　院信息與通信工程學(xué)院，湖南　岳陽　414006）

數(shù)字控制低頻掃描儀的設(shè)計與實現(xiàn)*

張國云，陳松，榮軍，劉志昌
（湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽414006）

以低頻網(wǎng)絡(luò)為分析對象，采用數(shù)字式掃頻的方法設(shè)計了低頻掃描分析儀系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由微控制器、掃頻信號源、低通濾波器、幅度控制和峰值檢波5個模塊組成。其中掃頻信號源以DDS專用芯片AD9833為核心構(gòu)成，峰值檢波采用運算放大器和分立元件構(gòu)成。系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，能方便地進(jìn)行修改和移植。經(jīng)過測試，系統(tǒng)在50Hz到20kHz頻率范圍內(nèi)能夠?qū)Ρ粶y網(wǎng)絡(luò)的增益及±3dB的帶寬進(jìn)行測量，最小掃頻頻率步進(jìn)可以達(dá)到0.1Hz，測量誤差小于5％并能實現(xiàn)自動增益控制。

AD采樣；峰值檢測；直接數(shù)字信號合成

0　引言

在電子測量中，經(jīng)常遇到對未知網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性進(jìn)行測量的問題，其中傳輸特性包括增益、衰減特性、幅頻特性等。而且很多時候，對于被測量系統(tǒng)，無法知道其電路的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)確參數(shù)。此時，只能將待測電路作為黑箱來處理，然后通過輸入、輸出的傳遞函數(shù)來描述系統(tǒng)的內(nèi)在特性。掃頻儀就是用來測量前述黑箱傳輸特性的儀器，它為被測網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整、校準(zhǔn)及故障的排除提供了極大的方便。目前，國內(nèi)低頻掃頻儀產(chǎn)品較少、價格較高，而且大多依然采用傳統(tǒng)的模擬顯示方式。這樣既不方便，也很難讀準(zhǔn)確，而且很多掃頻儀由于沒有增益可調(diào)網(wǎng)絡(luò)，因此量程較?。?］。另外傳統(tǒng)的掃頻儀掃頻范圍廣、實時性高，但由于其掃頻信號的產(chǎn)生通常通過頻譜搬移的方法，這造成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能不佳，價格昂貴等缺點［2］，很多時候只能在低頻段使用掃頻儀，因此值得去研究一種更簡單和適合工作于低頻段的掃頻儀。本文研究并設(shè)計了一種新穎的頻率特性測量系統(tǒng)。系統(tǒng)通過單片機(jī)C8051F020控制直接頻率合成（DDS）芯片AD9833直接產(chǎn)生掃頻信號，通過被測網(wǎng)絡(luò)后再由單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行峰值采樣，最后對數(shù)據(jù)處理后由液晶輸出掃頻曲線。系統(tǒng)采用直接數(shù)字頻率合成器的基本優(yōu)點是在微處理器的控制下，能夠準(zhǔn)確而快捷地調(diào)節(jié)輸出信號的頻率、相位和幅度。此外，DDS具有頻率和相位分辨率高、頻率切換速度快、易于智能控制等突出特點，同時也解決了傳統(tǒng)掃頻儀性能不佳的問題。

1　低頻掃描儀的系統(tǒng)實現(xiàn)

通過參考文獻(xiàn)［3-5］可知，掃頻儀的設(shè)計關(guān)鍵在于掃頻信號源和檢波器的設(shè)計。根據(jù)選用數(shù)字控制芯片的不同可以分為動態(tài)測量法和穩(wěn)態(tài)測量法。對于前者，可選用DSP控制器，但是價格比較昂貴；后者選用單片機(jī)控制即可。考慮到成本問題，在本設(shè)計中選用穩(wěn)態(tài)測量法設(shè)計。穩(wěn)態(tài)測量法的原理框圖如圖1所示。該方法是運用響應(yīng)信號與輸入信號的幅值比來反映網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性。本方案由微控制器C8051F020控制DDS掃頻源產(chǎn)生掃頻信號，經(jīng)低通濾波器平滑濾波后，再由多路模擬開關(guān)和運算放大器來控制信號的幅度，最終產(chǎn)生幅度可控的掃頻信號。掃頻信號經(jīng)過被測網(wǎng)絡(luò)后，通過峰值檢波電路可以得到掃頻信號實時的峰峰值。最后進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換器的信號就是反映被測網(wǎng)絡(luò)幅頻特性的信號。經(jīng)ADC進(jìn)行采樣處理，最后由微控制器處理將計算結(jié)果送到液晶顯示器顯示，這樣被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性就直觀地顯示出來了。

圖1　穩(wěn)態(tài)測量法原理框圖

2　低頻掃描儀系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

2.1供電電路設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)性能的要求，需要設(shè)計±5V和+3.3V的直流穩(wěn)壓電源，而且要求電源的紋波應(yīng)盡量小，以減少對輸出信號的干擾。電源采用橋式全波整流、大電容濾波和三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓的方法產(chǎn)生±5V和+3.3V直流電壓，固定輸出的三端穩(wěn)壓芯片為LM7805和LM7905。穩(wěn)壓管的輸出通過電容和電感濾波；數(shù)字部分與模擬部分用電感隔離，這樣就可以得到紋波系數(shù)很小的直流電壓，其中±5V供電具體電路如圖2所示。

2.2掃頻信號電路設(shè)計

為產(chǎn)生任意波形，使用了直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS），在這里采用DDS專用芯片AD9833，它具有頻率轉(zhuǎn)換時間短、頻率分辨率高、頻率穩(wěn)定度高、輸出相位連續(xù)、相位噪聲低、可編程、頻率步進(jìn)小、全數(shù)字化和功耗低等優(yōu)點。其最高輸出頻率是12.5MHz，主頻時鐘為25MHz時，精度達(dá)到0.1Hz，完全滿足系統(tǒng)的要求。AD9833通過SPI總線接口可以方便地與單片機(jī)連接，同時AD9833外圍電路少，調(diào)試簡單，符合本設(shè)計要求。要產(chǎn)生正弦信號，本部分電路使用25 MHz有源晶振作為系統(tǒng)時鐘（MCLK），同時通過0.1μF和4.7μF的電容濾掉輸出信號中的直流成分。Ne5532是TI公司的一款高性能運算放大器，其增益帶寬積為10M，壓擺率達(dá)到13V/μs，連接成同相放大方式作為緩沖輸出，以增強(qiáng)信號源的輸出能力。同時，外接50Ω電阻保證連接板的熱插拔［6］。具體電路如圖3所示。

圖3　AD9833應(yīng)用電路原理圖

2.3低通濾波電路設(shè)計

圖4是二階低通濾波器電路，截至頻率為30kHz，其中R9=R10=R，C15=C16=C。令：

通過計算可知濾波器傳輸函數(shù)為：

當(dāng)ωc=ω時：

通過以上計算知道，該濾波器對高頻信號衰減滿足系統(tǒng)要求。另外由相關(guān)理論知識可知，當(dāng)Q值為0.707時濾波器在通帶的平坦性最好。根據(jù)系統(tǒng)的要求，設(shè)定Q值為0.707，此時，AVF=1.585。取Rf=30kΩ，可得R1=51kΩ。又因截止頻率為30kHz，取R=15 kΩ，C=270pF，ωc=1/RC≈30kHz。

圖4　低通濾波電路原理圖

2.4增益控制電路設(shè)計

由于被測網(wǎng)絡(luò)中包含有源網(wǎng)絡(luò)、無源網(wǎng)絡(luò)，而且本課題要求的增益范圍為-20dB-+20dB，要保證掃頻信號通過待測電路后不發(fā)生失真，同時使得輸入到ADC的信號能在可測量的范圍內(nèi)，就必須對信號進(jìn)行不同規(guī)模的放大或衰減。本系統(tǒng)采用電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)合運放的方式來達(dá)到程控衰減的目的。掃頻信號輸出峰-峰值為1V，而待測網(wǎng)絡(luò)最大增益20dB，因此在信號輸入到待測網(wǎng)絡(luò)前需進(jìn)行程控衰減。本系統(tǒng)的ADC采用單片機(jī)內(nèi)部集成的AD轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器最高輸入電壓是3.3V，因此設(shè)計成兩次信號衰減。信號衰減采用電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬開關(guān)配合來實現(xiàn)。MAX4711是美信公司生產(chǎn)的雙四通道模擬開關(guān)，其導(dǎo)通內(nèi)阻為16Ω，開關(guān)速度80ns。支持CMOS和TTL電平，因此符合設(shè)計要求。電阻網(wǎng)絡(luò)增益范圍為-12dB～+14dB（-4～+5倍），輸入到AD轉(zhuǎn)換器的電壓為0.5V～2.5V，符合AD的輸入要求［7］，其具體電路如圖5所示。

圖5　增益控制電路原理圖

2.5峰值檢波電路設(shè)計

圖6為峰值檢波電路的原理圖，其中，交流信號從運放的3腳輸入，根據(jù)運放的虛短法則引腳2具有與引腳3同樣的波形；U1B是電壓跟隨器，引腳7的電壓幅值與電容C1上的電壓相同。當(dāng)引腳3的電壓大于電容C1電壓時，電阻R1上產(chǎn)生壓降，電流從左到右。根據(jù)運放的虛斷法則引腳2不能提供電流，并且D1反偏也不會導(dǎo)通。為了維持平衡只有提升R1右端的電壓（即電容C1的電壓），這個充電電流從U1A的引腳1經(jīng)過D2進(jìn)行。當(dāng)引腳3的電壓低于電容C1電壓時，電阻R1上產(chǎn)生壓降，電流從右到左。根據(jù)運放的虛斷法則引腳2不能提供電流，則這個電流只有經(jīng)過D1進(jìn)入U1A。由于電壓跟隨器輸出電壓與電容C1上的電壓相同，二極管D2截止，電容不能導(dǎo)過D2放電，電壓得到保護(hù)。

圖6　峰值檢波電路原理圖

2.6系統(tǒng)控制算法軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件設(shè)計的思想是采用模塊化程序設(shè)計方法，良好的軟件流程不僅可以減少掃描時間更可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此將系統(tǒng)軟件劃分為信號源模塊、AD采樣和人機(jī)對話3個模塊。全部原代碼均使用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，并附帶有詳細(xì)的注釋，增加了本系統(tǒng)軟件的可讀性和可移植性［8］。主程序流程圖如圖7所示。

圖7　程序流程圖

3　實驗結(jié)果及分析

3.1技術(shù)指標(biāo)

基本測試頻率范圍為50Hz～20kHz；測試出±3dB帶寬，測量精度優(yōu)于5％；所測電壓增益范圍為-20dB～+20dB；被測網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸增益測量精度優(yōu)于5％。

3.2測量結(jié)果及分析

在電路班焊接完畢之后，首先核對器件有無焊錯，特別是電容正負(fù)極和芯片不要焊反。然后使用萬用表測量電源電路和信號線有無短路現(xiàn)象。這一步非常重要，為后續(xù)步驟提供重要保障。確認(rèn)無誤后，連通信號板的電源，使用示波器檢測有源晶振的輸出是否為25MHz，并觀察波形是否失真。測試表明，晶振輸出正常。下一步將信號板與單片機(jī)連接，運行信號程序，用示波器觀測信號輸出測試點輸出信號是否符合設(shè)定值。表1所示為信號源在各個設(shè)定的頻率輸出及誤差分析。從表1可以看出，實際輸出頻率與設(shè)定頻率誤差非常小，基本可以忽略不計，為后續(xù)參數(shù)測量的成功奠定了基礎(chǔ)。

表1　AD9833信號源輸出測量

通過函數(shù)信號發(fā)生器依次輸入頻率為10Hz～30kHz以及峰-峰值為0.5 V的正弦信號，觀察通過低通濾波器后的信號峰值，記錄如表2所示。由表2可知，該低通濾波器在20Hz到20kHz的測量誤差均小于5％，精度滿足設(shè)計要求。

峰值檢測分兩步進(jìn)行，首先從測試點依次輸入Vp-p為0.5V～3V的1kHz正弦信號，在輸出端測量電壓峰值并記錄。然而依次從測試點輸入頻率為50Hz到20kHz，峰值為1V的正弦信號，在輸出端測量記錄，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，峰值檢測電路在不同頻率、不同電壓幅度下均能很好地工作，測量誤差小于5％，達(dá)到系統(tǒng)對誤差設(shè)計的要求。

表2　低通濾波器測量統(tǒng)計表

表3　峰值檢測測試統(tǒng)計表

4　結(jié)論

本文設(shè)計了基于單片機(jī)C8051F020的數(shù)字控制低頻掃描儀，完成了掃頻信號、增益控制、峰值檢測部分的硬件電路和軟件程序設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計完成后對各個部分進(jìn)行功能測試。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)完全滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。在設(shè)計過程中，發(fā)現(xiàn)采用的C8051單片機(jī)工作頻率有限，導(dǎo)致掃描時間過長，因此在改進(jìn)該系統(tǒng)時可以考慮采用ST32等主頻更高的嵌入式芯片來實現(xiàn)。另外液晶顯示部分可以考慮采用分辨率更高的LCD來顯示，這樣對于幅頻特性顯示效果更好。

［1］尤德斐.數(shù)字化測量技術(shù)及儀器［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［2］謝自美.電子線路設(shè)計·實驗·測試［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.

［3］鄭戍華.基于DDS的信號源研制［D］.北京：北京理工大學(xué)，2003

［4］朱江樂，蔣東方，李俊華.基于虛擬儀器的低頻掃頻儀設(shè)計［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8（6）：1580-1582.

［5］劉旺鎖，吉順祥，陳冬.基于虛擬儀器的掃頻儀的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子測量技術(shù)，2007，30（9）：78-80.

［6］潘勇先.基于DDS技術(shù)的雷達(dá)波形發(fā)生器的研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2004.

［7］周文委，王涌.一種DDS信號發(fā)生方法與頻譜研究［J］.電子器件，2009，32（3）：620－622.

［8］王建校.51系列單片機(jī)及C51程序設(shè)計［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

Design and implementation of digital control low frequency scanner

Zhang Guoyun，Chen Song，Rong Jun，Liu Zhichang
（Department of Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang 414006，China）

The paper designs low frequency scanning analyzer with the method of digital frequency sweep which regards low frequency network as the research object.The system is composed of five main modules including microcontroller，frequency sweep signal source，low pass filter，amplitude control and peak detection.The sweep signal source takes DDS chip AD9833 as the core，and peak detection uses operational amplifier and a discrete component.The system software is written by C language，and it can be modified and transplanted conveniently.The system has passed the test that it can measure the gain and±3 dB bandwidth of the measured network with frequency range from 50Hz to 20kHz，and the minimum sweep step frequency can reach 0.1 Hz.The measurement error is less than 5％and the system can realize the automatic gain control.

AD sampling；peak detection；DDS

TM46

A

1674-7720（2015）12-0091-04

2015-01-30）

張國云（1971-），男，博士，教授，主要研究方向：圖像處理。

國家級“電子信息工程”專業(yè)綜合改革試點專業(yè)（高教司函［2013］5號）