数字式频率特性测试仪设计.doc-资料库

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数字式频率特性测试仪设计 wgejygah kellycan sister wei 索引摘要与关键词................................................................................................................................- 2 - 1 设计任务与要求................................................................................................................... - 2 - 1.1 设计任务 ................................................................................................................... - 2 - 1.2 技术指标 ................................................................................................................... - 2 - 2 方案论证与比较................................................................................................................... - 2 - 3 扫频信号源及外围硬件电路 ............................................................................................... - 5 - 3.1 DDS 信号源设计...................................................................................................... - 5 - 3.2 阻容双 T 网络相关参数的计算...............................................................................- 8 - 3.3 峰值检波电路 ........................................................................................................... - 9 - 3.4 相位差测量 ............................................................................................................. - 10 - 4 MCU、按键显示、通信模块............................................................................................- 11 - 4.1 LPC2132 简介......................................................................................................... - 11 - 4.2 按键显示电路 ......................................................................................................... - 12 - 4.3 SPI 通信模块 ...........................................................................................................- 12 - 5 软件流程..............................................................................................................................- 13 - 6 系统调试与测量结果......................................................................................................... - 14 - 6.1 测试仪器 ................................................................................................................. - 14 - 6.2 DDS 扫频信号源.................................................................................................... - 15 - 6.3 幅频特性测量 ......................................................................................................... - 15 -

–数字式频率特性测试仪设计– 6.4 相频特性测量 ......................................................................................................... - 17 - 6.5 总结 ..........................................................................................................................- 19 - 7 参考资料..............................................................................................................................- 19 - 摘要：频率特性测试仪也称扫频仪，用于测量被测网络的幅频特性和相频特性，是电子领域中常用的设备之一。本文详细叙述了由 ARM、FPGA 以及外围电路制作频率特性仪的所需的软件和硬件。幅值的测量由 ARM 控制 FPGA 产生 DDS 信号扫频信号经过测试网络（阻容双 T 网络）、峰值检波、ADC 将幅值存入 Flash；相位差的测量是将测试网络输入和输出两路信号分别送比较器整形为方波，测量两路方波异或后的脉冲宽度来实现。通过把 Flash 中存储的相应频率的幅值和相位读出可在数码管上显示，或经过 DAC 可在示波器上显示幅频特性和相频特性。经过实际制作和调试，由 LPC2132 控制 Cyclone II 产生的扫频信号实际范围为 5～2M Hz、最小步进值 5Hz；在 100～100k Hz 范围内幅值和相位精度基本满足题目要求。关键词： DDS，阻容双 T 网络，峰值检波，比较电路 1 设计任务与要求 1.1 设计任务设计并制作一台具有实时采样方式和等效采样方式的数字示波器，示意图如图 1 所示。输入电路 T P 取样与保持电路 A / D 转换与存储触发电路控制电路图 1-1 数字示波器示意图显示部分 1.2 技术指标详见题目 C。 2 方案论证与比较概述 - 2 -

–数字式频率特性测试仪设计– 频率特性是以频率为变量描述系统特性的一种图示方法。我们知道，当网络系统的电路结构和电路中的元件参数已知时，可以根据电路分析的方法，求得电路中的各个状态变量，获得关于电路系统的完整信息。而在很多情况下，无法知道电路的详细结构，或无法获得电路中的各个元件的准确参数，只能将所要分析的电路系统作为“黑箱”处理。对于低频电路网络，可以用传递函数 H(s)来描述。实际上，只需考察 s 平面上沿 jω轴变化时的 H(jω)即可，H(jω)就是系统的频率特性，它是 H(s)的一种以频率ω为变量的图形描述方法，其物理意义非常明显，是实际中应用最多的系统特性的表示形式。由于采用这种描述时，无需知道网络内部结构和参数等信息，只需知道系统的输入输出，而系统的输入输出又是可以通过测量来得到的，因而频率特性 H(jω)有着重要的理论价值和实用价值，在工程实践和科学实验中都有着广泛的应用。通过测量网络的输入输出得到系统的 H(jω)的方法，就是获得频率的实验测试方法。频率特性测试仪就是用来测试网络频率特性的一种仪器。系统在正弦信号激励下，输出响应达到稳态时，是与输入信号频率相同的正弦波，响应信号与输入信号的幅值比即为该频率下的幅频响应，而两者的相位差即为相频特性值。可以采用频率逐点步进的方法，完成整个频率特性的测量，这种方法称为扫频测试法。我们就是用该方法来实现的，图 2-1 为扫频测试法的方框图。图 2-1 扫频测试法的方框图  方案一本方案的总体结构如图 2-2 所示，该方案以 LPC2132 为核心，与外围电路配合使用，整体上的结构比较简单。DDS 信号源由 ARM 以及高速 DA 来实现，通过测试网络后的信号和原信号分别输入比较器，整形为两路方波输入 ARM，相位检测部分由 ARM 定时器捕获两个从比较器输出方波的上升沿，计算得到两路方波的相位差。该方案的主要优点是，整体成本较低，在测量相位上对于输入方波在边沿的抖动具有较强的抗干扰能力，可以达到较高相位测量精度；缺点是在高频时 ARM 的处理速度不够，而且任务较多，最好由操作系统来调度各种任务，如果用档次较高的 ARM 芯片相信本方案也是一种不错的选择。 - 3 -

LCD显示数码管、LED 按键 FLASH –数字式频率特性测试仪设计– D A A D DDS信号源相位检测 ARM 示波器峰值检波高速DA 阻容双T网络比较器比较器图 2-2 方案一的系统总体框架  方案二考虑到本系统扫频范围为 100～100k Hz ，对 MCU、ADC、DAC 有较高要求，因此我们采用 LPC2132 来作为系统的控制核心用来控制按键、显示、ADC、DAC 和数据通信等， LPC2132 的相关特性可参见 4.1 。而信号源由 DDS（Direct Digital Frequency Synthesis ，直接数字频率合成）来产生扫频信号，DDS 核心部分是一个相位累加器，我们通过 FPGA 来实现。相位检测部分主要由异或门和 D 触发器构成（详见 3.4），由于是数字电路，因此由 FPGA 来实现，并将测得的数据传至 LPC2132 中，具体的系统框架如图 2-3 所示。本方案的主要优点是 ARM 和 FPGA 协同工作可以提高 ARM 的工作效率，并且 FPGA 的时钟我们选取 50M，使 DDS 的输出信号频率能够在 2MHz 以上保持较高的精度；缺点是在测量相位时由于比较器输出方波边沿存在抖动，使相位测量出错，我们通过对边沿去抖以及在 MCU 的软件中加入了纠错程序使相位测量的精度大大提高。经过结何实际情况，以及当前我们所掌握的知识，我们选取方案二来完成本次设计。 - 4 -

–数字式频率特性测试仪设计– 高速DA 阻容双T网络峰值检波比较器比较器 DDS信号源相位检测 FPGA A D D A ARM LCD显示 FLASH 按键数码管、LED 示波器图 2-3 方案二的系统总体框架 3 扫频信号源及外围硬件电路 3.1 DDS 信号源设计在频率特性测试仪的设计中，扫频信号源的质量至关重要，在本设计中，我们采用了 DDS 技术来产生扫频信号。与其它频率合成方法相比较，DDS 技术的主要优点是：分辨率高；频率转换速度快；频率切换时相位保持连续；合成频率准确；全数字式控制。 DDS 对信号质量的改善主要取决于参考时钟，基本不受系统其它部分的影响。图 3-1 DDS 原理框图 DDS 原理框图如图 3-1，具体工作过程如下：每来一个时钟脉冲 fc，N 位加法器将频率控制字 FSW 与相位寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至相位寄存器的输入端。相位寄存器一方面将在上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制字 FSW 相加；另一方面将这个值作为取样地址值正弦查询表，正弦查询表根据这个地址输出相应的波形数据。最后经 D/A 转换器和低通滤波器将波形数据转换成所需要的模拟正弦波。设相位累加器的位宽为 2N，频率控制字 FSW、输出信号频率 fout 和参考时钟频率 fc 之间的关系为： FSW N 2 f / f c out 式 3-1 - 5 -

–数字式频率特性测试仪设计–  f c 2N 式 3-2 最小分辨率： min  f cf M 50 ，设 min  f  f c N 2  5 Hz 考虑到通信的方便，又 16 2 10 2M  ，所以取 24 N  ，其中高 9 位（共 305 24 个点）用于寻址正弦表。图 3-2 所示为我们根据 DDS 原理制作的正弦波信号源。图 3-2 实际 DDS 实现逻辑电路图 - 6 -

–数字式频率特性测试仪设计– 图 3-3 外围总体硬件电路 - 7 -

–数字式频率特性测试仪设计– 3.2 阻容双 T 网络相关参数的计算 C R C R 2C R/2 图 3-4 无源阻容双 T 网络无源阻容双 T 网络电路如图 3-4 所示，它实际上是一个带阻滤波器，也可以叫做陷波器。利用 Y-△变换可以将图 3-4 的电路简化为图 3-5 所示П型电路。 Z R/2 2C R/2 2C 图 3-5 无源阻容双 T 网络的П型等效电路其中 Z    12 R  1   sRC sRC  2   12 R 1     RCj  2 RC  传递函数为  jH    1    0   0  2 j  1  式 3-2 中 0  1 RC 2  4  0  由上式可求出无源阻容双 T 网络的幅频、相频特性的表达式为 ( jH )   1  14     0   1   0 2  2 0 4 - 8 - 式 3-1 式 3-2 式 3-3 式 3-4

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