便攜式低頻幅頻特性測試儀的研制

1 引 言
　　電子測量中經(jīng)常遇到的就是對網(wǎng)絡(luò)的阻抗和傳輸特性的測量。幅頻特性就是重要的傳輸特性。最初，這些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的測試是在固定頻率點上逐點進行的，這種測試方法繁瑣、費時，且不直觀，有時因取點有誤還會得出片面的結(jié)果〔1〕。而專用測試工具大致可分為兩類：一類是傳統(tǒng)設(shè)備，如國產(chǎn)的BT4〔2〕型低頻特性測試儀，BT4存在設(shè)備體積大，易有故障，并且操作復(fù)雜等缺點，難以滿足尤其是現(xiàn)場自動測試的要求；另一類是采用集數(shù)據(jù)采集和運算功能于一體的大規(guī)模新型芯片技術(shù)制造的測試儀，一般為進口產(chǎn)品，但其存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護困難，價格昂貴等缺點。
　　隨著單片微處理器技術(shù)的發(fā)展，其智能測試功能已在很多智能儀表中得到了廣泛的應(yīng)用，因此，用單片機的軟件來代替部分硬件完成頻率特性的測試，便成為一種比較理想而有效的途徑。本文采用單片微處理器為核心，設(shè)計出重量輕、體積小、顯示直觀、操作方便的便攜式低頻幅頻特性測試儀。
2　測試原理
　　當系統(tǒng)的輸入為正弦信號時，則輸出的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)也是一個正弦信號，其頻率和輸入信號的頻率相同，但幅度和相位發(fā)生了變化，而變化取決于角頻率ω。若把輸出的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和輸入正弦信號用復(fù)數(shù)表示，并求它們的復(fù)數(shù)比，則得
　
G（jω）稱為頻率特性，A（ω）是輸出信號的幅值與輸入信號幅值之比，稱為幅頻特性。Φ（ω）是輸出信號的相角與輸入信號的相角之差，稱為相頻特性。其中，幅頻特性是一個網(wǎng)絡(luò)的重要傳輸特性，所以，本文只探討幅頻特性參數(shù)的測試。
　　在實際測量中，用一個隨著時間按一定規(guī)律，并在一定頻率范圍內(nèi)掃動的信號代替以往的固定頻率信號，就可以對被測網(wǎng)絡(luò)進行快速、定性或定量的動態(tài)測量，給出被測網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性和傳輸特性的實時測量結(jié)果。測量原理見圖1。

　　本儀器的主要功能和指標如下：掃頻范圍為1Hz～120kHz；幅值范圍為0V～5V連續(xù)可變；步長設(shè)定為通過鍵盤可任意設(shè)定（1、2、3…n）頻率間隔，實現(xiàn)線性增長；顯示方式為，選用128×128圖形點陣液晶顯示模塊，顯示漢字、字母、數(shù)字、圖形；參數(shù)設(shè)定為，通過軟、硬件結(jié)合，可實現(xiàn)掃頻信號頻率的上限、下限、步長及顯示畫面設(shè)定；通訊功能為，通過MAX3232C模塊進行電平轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)與微機的數(shù)據(jù)通訊。
3　硬件電路
　　根據(jù)便攜式幅頻特性測試儀的特點，在設(shè)計時主要考慮結(jié)構(gòu)的輕便、省電，輸出的測試信號精確、可控，能自動進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理準確而快速，以及顯示直觀等方面。主控采用了Atmel公司的89C52單片機。此系列單片機已有許多成功的應(yīng)用，技術(shù)成熟，片內(nèi)集成了4K字節(jié)EEPROM程序存儲器，不需外擴程序存儲器，保證了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。當測試儀現(xiàn)場完成對被測網(wǎng)絡(luò)的測試后，數(shù)據(jù)保存在非易失性存儲芯片DS1225（見http：／／www．maxim－ic．com）中，該芯片為帶鋰電池的EEPROM，在失電的情況下，可保存數(shù)據(jù)十年。當需要對數(shù)據(jù)進行進一步分析、研究時，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可通過串口將數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)微機，使得測試儀更方便實用。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

3．1　信號發(fā)生電路
　　具有一個標準的掃頻信號是幅頻特性測試儀實現(xiàn)準確測試的關(guān)鍵。所以，掃動的正弦信號采用頻率合成的方式產(chǎn)生，其頻率的穩(wěn)定度可達到10－8，并且容易實現(xiàn)自動掃頻功能。其硬件電路的組成見圖3。
　　首先采用CD4060芯片及晶振產(chǎn)生一個基準頻率fi（fi＝128Hz），作為二進制加計數(shù)器HC4520的計數(shù)脈沖，HC4520的輸出作為2764的地址信號，由2764數(shù)據(jù)輸出端輸出已存儲的數(shù)據(jù)。這樣，每經(jīng)過128Hz就從2764的數(shù)據(jù)端輸出一個由128點組成的、頻率為1Hz的數(shù)字正弦波。再經(jīng)過DAC0832芯片數(shù)／模轉(zhuǎn)換后得到一個波形完美、頻率穩(wěn)定的模擬正弦波。當fi經(jīng)過集成鎖相環(huán)CD4046及可編程分頻器8253組成的電路倍頻后，就會得到fo（fo＝N×fi），N為分頻系數(shù)。當fo的頻率超過1MHz時，應(yīng)換用74HC4046高速鎖相環(huán)，最終得到一系列連續(xù)可變的模擬正弦波，即掃頻信號。為了適合對無源和有源網(wǎng)絡(luò)的分別測試，幅度控制電路將P0口送出的00H～0FFH數(shù)字量經(jīng)U2數(shù)／模轉(zhuǎn)換后，輸出0V～5V程控電壓，用此電壓作為U1－DAC0832的基準電壓，來實現(xiàn)掃頻信號的幅度調(diào)節(jié)。單片微處理器僅需由P0口分別送出掃頻信號的分頻值和幅度值，信號的產(chǎn)生均由硬件完成，這樣，CPU可有更多時間去對采集的數(shù)據(jù)進行處理，以及實現(xiàn)對被測網(wǎng)絡(luò)幅頻特性曲線的顯示功能等。

3．2　數(shù)據(jù)采集和處理電路
　　被測網(wǎng)絡(luò)的輸出信號經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后，接到A／D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809的輸入端，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由P0口送入微處理器，進行數(shù)據(jù)的計算、存儲、顯示。AD637（見中國電子資源網(wǎng)http：／／www．chinadz．com）是高精度單片TRMS／DC轉(zhuǎn)換器，可以計算各種
復(fù)雜波形的真有效值，其誤差低、頻帶寬（可達8MHz）。但AD637的輸入阻抗低（僅為8kΩ），所以，輸入端應(yīng)采用一級跟隨器進行阻抗變換。數(shù)據(jù)讀入后按順序存入數(shù)據(jù)存儲器DS1225中保存。存儲器的內(nèi)容是經(jīng)過有效值轉(zhuǎn)換及A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)（00H～FFH），而存儲器的地址就代表存儲數(shù)據(jù)的頻率值。
3．3　數(shù)據(jù)存儲及顯示電路
　　設(shè)計時考慮到便攜式測試儀需要省電這一特點，應(yīng)該在現(xiàn)場測試完后就將電源關(guān)掉。以后，為了能對采集數(shù)據(jù)進行進一步的分析和研究，數(shù)據(jù)應(yīng)具有掉電保存功能。所以，存儲器選用了非易失性的存儲器。通過比較測試，選用了Dallas公司的DSl225芯片，其內(nèi)部有鋰電池，能對存儲器供電，存儲容量為8K字節(jié)。這樣既可解決掉電存儲問題，又能保存對一個被測網(wǎng)絡(luò)所采集的所有數(shù)據(jù)。
　　顯示器采用圖形點陣液晶模塊——亞世光公司的YM128128－01，共有橫坐標128點，縱坐標128點，組成128×128的點陣顯示屏。從數(shù)據(jù)存儲器中取出的數(shù)據(jù)經(jīng)過除法子程序的處理（除以2然后取整）作為縱坐標的值。存儲數(shù)據(jù)的地址作為橫坐標的值，這樣就可確定該點在顯示屏上的位置。曲線的顯示形式可分為粗顯和精顯，粗顯就是在橫坐標共128點上顯示出全部數(shù)據(jù)存儲區(qū)中（0000H～1FFFH）8K字節(jié)的數(shù)據(jù)，從存儲器中每隔63（3FH）點取一個數(shù)據(jù)作為縱坐標的值。如果要得到精確顯示，則可根據(jù)需要從鍵盤輸入將要顯示頻段的上／下限頻率值，每屏顯示128點的幅頻特性曲線，通過指示線的左右移動，在屏幕的下方實時顯示出指示點的頻率和幅值，實現(xiàn)精確測量。
3．4　通訊電路
　　采集的數(shù)據(jù)通過串口完成通訊。采用Maxim公司的MAX232（見http：／／www．maxim－ic．com）實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。單＋5V電源，產(chǎn)生RS232標準電平，實現(xiàn)　　與系統(tǒng)微機的串口通訊。
4　軟件設(shè)計
　　為使各部分硬件電路按一定順序進行工作，在89C52的程序存儲器內(nèi)固化了用匯編語言編寫的應(yīng)用程序。其中有程序初始化，正弦信號分頻子程序，正弦信號幅度控制子程序，數(shù)據(jù)采集子程序，信號處理子程序，鍵值處理子程序，顯示畫面子程序等。程序框圖見圖4。

5　測量結(jié)果
電路圖如圖5所示，一個中心頻率為5kHz的無源雙T網(wǎng)絡(luò)，使用本儀器測試，所得測試結(jié)果見圖6。