數(shù)字式頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了用函數(shù)發(fā)生器ILC8038構(gòu)成壓控振蕩器、用D/A轉(zhuǎn)換器提供壓控振蕩器的控制電壓的頻率特性測(cè)試儀。它以單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)了掃頻頻率的步進(jìn)調(diào)整、頻率數(shù)顯、被測(cè)網(wǎng)絡(luò)幅頻特性與相頻特性的數(shù)顯及頻率特性曲線的打印。

關(guān)鍵詞：電子測(cè)量 幅頻特性 相頻特性 壓控振蕩器 單片機(jī)

模擬式掃頻儀價(jià)格昂貴，不能直接得到相頻特性，更不能打印網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)曲線，給使用帶來諸多不便。為此，我們研究和設(shè)計(jì)了低頻段數(shù)字式頻率特性測(cè)試儀。該測(cè)試儀用壓控振蕩器產(chǎn)生掃頻信號(hào)，以單片機(jī)為控制核心，通過A/D、D/A等接口電路，實(shí)現(xiàn)掃頻信號(hào)頻率的步進(jìn)調(diào)整、數(shù)字顯示及被測(cè)網(wǎng)絡(luò)幅頻特性與相頻特性的數(shù)顯等?？偪驁D如圖1所示。該系統(tǒng)成本低廉，掃頻范圍較寬（10Hz~1MHz），并可方便地與打印機(jī)連接以實(shí)現(xiàn)頻率特性曲線的打印。

1 掃頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)

在頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)中，掃頻信號(hào)源的質(zhì)量具有重要的意義。無論是模擬式掃頻儀，還是數(shù)字掃頻儀，都要求掃頻信號(hào)源具有線性壓控的特性，且掃頻波的輸出幅度應(yīng)是恒定的，不因頻率或被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的改變而改變。為此，我們選用低線性誤差的函數(shù)發(fā)生器ICL8038[1]構(gòu)成控振蕩器，如圖2所示。用D/A轉(zhuǎn)換器提供控制電壓D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量由單片機(jī)給出，如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)整。為了提高信號(hào)源的負(fù)載能力，我們將壓控振蕩器的輸出信號(hào)送入一寬頻帶功率放大器，從而增大其驅(qū)動(dòng)能力。關(guān)于寬帶功放電路已有很多優(yōu)秀的器件或電路可供選用，此處不再贅述。

振蕩器的振蕩頻率由圖2中的定時(shí)元件R、C及控制電壓決定。當(dāng)R和C一定時(shí)，改變ICL8038的8腳電壓可改變振蕩器的振蕩頻率。實(shí)驗(yàn)表明，僅靠改變壓控電壓來改變掃頻波的頻率是不能滿足測(cè)量要求的（頻率范圍太窄）。為了擴(kuò)展頻率范圍，我們采用了分檔切換電容的辦法。電容C通過一電子開關(guān)接入，單片機(jī)根據(jù)掃頻皮的頻率值自動(dòng)給出相應(yīng)的開關(guān)量（三位），從而選擇所接入的電容值，可使掃頻頻率范圍擴(kuò)展到10Hz~1MHz。

2 幅頻特性與相頻特性的測(cè)量與打印

掃頻波頻率的測(cè)量與顯示由單片機(jī)完成。寬帶功能輸出的正弦信號(hào)，經(jīng)整形所送單片機(jī)供其測(cè)量并顯示頻率。用單片機(jī)完成這一任務(wù)已有較成熟的方法。值得注意的是測(cè)頻的時(shí)間時(shí)隔不是固定的：數(shù)顯時(shí)，時(shí)間間隔應(yīng)較長(zhǎng)（我們定為1s)，因顯示時(shí)必須延時(shí)一段時(shí)間才能便于觀察；打印時(shí)，時(shí)間間隔較小（我們定為1ms），便于在較短時(shí)間內(nèi)打印全頻段數(shù)據(jù)。測(cè)頻前信號(hào)的整形電路選用寬頻帶正弦波一矩形波變換電路[2],如圖4所示。場(chǎng)效應(yīng)管源極跟隨器的接入是為了消除變換電路對(duì)信號(hào)源的影響。

在幅頻特性的測(cè)量中，被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)幅度是已知的，這在調(diào)整功放電路時(shí)調(diào)定。只要測(cè)出被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)的幅度，即可算得其增益（dB數(shù)），被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)的幅度的測(cè)量由檢波器、A/D轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)共同完成。增益的計(jì)算和顯示亦由單片機(jī)完成。

相頻特性的測(cè)量與顯示原理如下：被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出信號(hào)先經(jīng)整形電路變換為矩形波，再送入圖5所示測(cè)相邏輯電路中，圖中μi和μo分別為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出信號(hào)。電路中有關(guān)波形如圖6所示。設(shè)異或門輸出脈沖寬度為△T，信號(hào)周期為T，則輸入與輸出信號(hào)的相位差由下式求得：

Δφ=(ΔT/T)×360°

上式中的符號(hào)由A點(diǎn)電平?jīng)Q定，若A點(diǎn)為低電平，則μ。超前μi，在△φ前加“+”號(hào)；若A點(diǎn)為高電平，則μ0,滯后μi，在△φ前加“-”號(hào)。T與T的測(cè)量及（1）式的計(jì)算與符號(hào)的確定均由單片機(jī)自動(dòng)完成。

上述幅頻與相頻特性的測(cè)量對(duì)頻率而言是離散的。某一時(shí)刻只能看到某一頻率下的增益或相移。為了獲得連續(xù)的頻率特性曲線，我們將全段內(nèi)各頻率下的增益或相移存放在單片機(jī)的外部RAM中，將單片機(jī)與打印機(jī)相連，將存放在外部RAM中的數(shù)據(jù)逐個(gè)送打印機(jī)打印，取得較好的效果。單片機(jī)與打印機(jī)的接口電路如圖7所示。DB0DB7為單片數(shù)據(jù)傳輸線，單片機(jī)通過此傳輸線將待打印的數(shù)據(jù)送給打印機(jī)。STB為數(shù)據(jù)選通信號(hào)，此信號(hào)上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)線上8位數(shù)據(jù)被打印機(jī)讀入機(jī)內(nèi)鎖存并打印。BUSY為打印機(jī)的“忙”信號(hào)輸出線，輸出高電平表示打印機(jī)處于“忙”狀態(tài)，此時(shí)，單片機(jī)不得向打印機(jī)送入新的數(shù)據(jù)字節(jié)。當(dāng)BUSY為低電平時(shí)，單片機(jī)將存在外部RAM中的數(shù)據(jù)送給打印機(jī)。編制相應(yīng)程序時(shí)，只要設(shè)置好打印機(jī)的控制字，并將增益或相移值作適當(dāng)量化即可。

3 軟件流程與系統(tǒng)調(diào)試要點(diǎn)

單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)選用80C32，鍵盤顯示接口芯片選用8279，存儲(chǔ)器選用EPROM 1片（2K）和RAM 1片（64K)。地址沖突問題由片選信號(hào)解決。A/D轉(zhuǎn)換大選用0809，選用14位DAC一片，可提高分辨率。

軟件流程圖如圖8所示。

鍵盤分為數(shù)字鍵和功能鍵兩種，數(shù)字鍵用來輸入掃頻頻率起始及終止值等；而功能鍵則用于幅頻特性、相頻特性的測(cè)量及打印等功能。

程序編制與電路調(diào)試中有幾個(gè)值得注意的問題。第一是切換定時(shí)電容后頻率的重迭。解決的辦法是通過對(duì)掃頻頻率的判斷，給出D/A所需的數(shù)字量，使掃頻頻率單值上升。各電容的值通過實(shí)驗(yàn)調(diào)定。第二是步長(zhǎng)問題，在數(shù)顯功能下，步長(zhǎng)不能太上，否則，觀察一段頻率范圍的頻響耗時(shí)巨大。針對(duì)這一問題，我們通過改變步長(zhǎng)的辦法來解決，在低頻段取較小步長(zhǎng)， 而高頻段取較大步長(zhǎng)。在打印功能下，由于不需要延時(shí)，故可在全頻范圍取較小步長(zhǎng)（10Hz），每步所需時(shí)間僅為單片機(jī)執(zhí)行指令及電路響應(yīng)的時(shí)間，能較快地打印全頻段的頻率特性曲線。這時(shí)，頻率軸為線性分度，便于定量分析。第三個(gè)問題是增益與相移的滿量程問題。增益的量程我們這為+40dB或等40dB，較大增益的網(wǎng)絡(luò)通過衰減網(wǎng)絡(luò)接入，增益小于-40dB時(shí)被量化為-40dB。相移的滿量程為+180度或-180度。實(shí)驗(yàn)表明，我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，打印的幅頻特性曲線與傳統(tǒng)的模擬掃頻儀所測(cè)曲線相符，相頻特性曲線與理論一致。