頻率特性測試儀(完整版)

1、-作者xxxx-日期xxxx頻率特性測試儀(完整版)【精品文檔】 頻率特性測試儀摘要：本實驗以DDS芯片AD9851為信號發(fā)生器，以單片機MSP430F449為核心控制芯片，以FPGA為輔助，加之于外圍電路來實現(xiàn)幅頻及相頻的檢測。系統(tǒng)由6信模塊組成：正弦掃頻信號模塊，待測阻容雙T網(wǎng)絡(luò)模塊，整形模塊，幅值檢測模塊，相位檢測模塊，及顯示模塊。先以單片機送給AD9851控制字產(chǎn)生100HZ100KHZ的掃頻信號，經(jīng)過阻容雙T網(wǎng)絡(luò)檢測電路，一路信號通過真有效值A(chǔ)D637JP對有效值進行采集后進入單片機進行幅值轉(zhuǎn)換，另一路信號由整形電路整形后進入FPGA進行相位檢測及頻率檢測，最后由LCD顯示輸出，最終

2、來完成幅頻及相頻的簡單測試。關(guān)鍵字： AD9851、 MSP430F449 、FPGA 、阻容雙T網(wǎng)絡(luò) 、AD637LM311比較器 、 液晶12864 目錄一、方案方案論證與選擇41. 掃描信號產(chǎn)生方案41.1 數(shù)字直接頻率合成技術(shù)(DDFS)41.2 程控鎖相環(huán)頻率合成41.3 數(shù)字頻率發(fā)生器（DDS）AD9851產(chǎn)生 42 相位檢測方案52.1 A/D采樣查找最值法52.2 FPGA鑒相法53. 幅值檢測方案63.1 峰值檢波法63.2 真有效值芯片AD637檢測法7二、 系統(tǒng)總體設(shè)計文案及實現(xiàn)方框圖8三、雙T網(wǎng)絡(luò)的原理分析及計算81、雙T網(wǎng)絡(luò)的原理82、雙T網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計10四、主要功能模

3、塊電路設(shè)計121、 AD9851正弦信號發(fā)生器122、 減法電路及射極跟隨器133 整形電路144 真有效值檢測14五、系統(tǒng)軟件設(shè)計15六、測試數(shù)據(jù)與分析16七、總結(jié)分析與結(jié)論18參考文獻：18附錄：18一、方案方案論證與選擇 1. 掃描信號產(chǎn)生方案 數(shù)字直接頻率合成技術(shù)(DDFS)方案一：采用數(shù)字直接頻率合成技術(shù)(DDFS)。以單片機和FPGA為控制核心,利用FPGA中的N位地址存儲相應(yīng)的正弦表值，通過改變頻率控制字K，尋址相位累加器的波形存儲器的數(shù)據(jù),以產(chǎn)生所需頻率的正弦信號fout=fin *K/2N。該方案頻率比較穩(wěn)定，抗干擾能力強，但程序?qū)崿F(xiàn)會有一定的繁瑣性，并且會占用FPGA資源。

4、1.2 程控鎖相環(huán)頻率合成方案二：采用程控鎖相環(huán)頻率合成方案。鎖相環(huán)頻率合成是將高穩(wěn)定度和高精確度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過加減乘除的運算產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率，在一定程度上解決了既要頻率穩(wěn)定精確、又要頻率在較大范圍可變的矛盾，能產(chǎn)生方波，通過積分電路就可以得到同頻率的三角波，再經(jīng)過濾波器就可以得到正弦波，但采用了多次積分電路，這種具有惰性特性的電路誤差大且不能滿足相頻曲線和幅頻曲線的輸出要求，功能擴展能力有限。1.3 數(shù)字頻率發(fā)生器（DDS）AD9851產(chǎn)生方案三：采用DDS芯片AD9851。，它還具有調(diào)頻和調(diào)相功能，通過單片機的適當(dāng)控制便可產(chǎn)生高帶寬的正弦波信號。該方案產(chǎn)生的信號頻率穩(wěn)定

5、度較好，操作簡易，但抗干擾性有一定的的不足。 綜上論證比較：與DDFS及鎖相環(huán)頻率合成相比，采用DDS芯片合成正弦信號的頻率建立與切換簡單，頻率單一，頻率覆蓋范圍廣，精度高，可控性強，功能擴展能力大。故采用方案三。2 相位檢測方案2.1 A/D采樣查找最值法方案一：A/D采樣法查找最值法。采用兩片高速A/D轉(zhuǎn)換器同時對輸入的兩路信號進行等時間間隔采樣并將其分別存儲，然后對所測信號的波形數(shù)據(jù)進行分析。用單片機掃描存儲在RAM中的波形數(shù)據(jù)，查找出兩部分數(shù)據(jù)的最大值或最小值，計算出兩片A/D轉(zhuǎn)換器采集兩部分波形數(shù)據(jù)的最大值或最小值的時間間隔，則信號的相位差可由下式得到：x=(Tx/T0)*360&#

6、176;其中，Tx為兩路信號相臨最值的時間間隔，T0為信號周期。這種方案需要用軟件對大量的波形數(shù)據(jù)進行處理才能達到較高的精確度,且采集時間間隔難以精確控制。2.2 FPGA鑒相法方案二：FPGA鑒相法。基于FPGA數(shù)字邏輯處理功能。將待測網(wǎng)絡(luò)的正弦信號輸入和輸出端分別通過一個過零比較器，對兩路線輸出方波信號進行“異或”操作，所得脈沖的寬度可反映相位差的大小，這就將對信號相位差測量轉(zhuǎn)化成對脈沖的占空比的測量。分別測量脈沖高電位時間內(nèi)與原方波周期內(nèi)的基準(zhǔn)源脈沖數(shù)Nh與Nt。則信號相位差為：x（Nh/Nt）*360°這種方案以主控芯片的時鐘信號作為計數(shù)脈沖，但原方波信號及脈沖信號都要是單個

7、不長的時間單位，其數(shù)值相對較小，故存在誤差。當(dāng)待測信號頻率較高時誤差會更大。方案三：考慮方案二中誤差的主要來源，測量中采用多周期同步計數(shù)法，此方案基于方案二，對輸入信號周期進行填充式脈沖計數(shù)。其原理為：用FPGA產(chǎn)生一個門寬為1秒閘門信號，將FPGA的40MHZ時鐘頻率5倍頻為200MHZ，用閘門信號與倍頻時鐘脈沖“相與”送入計數(shù)器1，進行計數(shù)，計數(shù)值為N1。將同步閘門信號、鑒相脈沖和時鐘脈沖三者“相與”后送入記數(shù)器2，進行記數(shù)，計數(shù)值為N2，則相位差為：x（N2/N1）*360°。此方法缺陷來自于所其的閘門信號寬度并非整個原信號周期，這樣會帶來一定的誤差，但其實這種誤差在允許范圍內(nèi)

8、是可以忽略的?？傮w上在測量高頻率時更精確。綜上采用此方案。3. 幅值檢測方案3.1 峰值檢波法方案一：峰值檢波法。用二極管電路和電壓跟隨器組成的峰值檢波電路，其原理為：當(dāng)輸入電壓正半周通過時，檢波管導(dǎo)通，對電容C充電。適當(dāng)選擇電容值，使得電容放電速度大于充電速度，這樣，電容兩端的電壓可以保持在最大電壓處從而實現(xiàn)峰值檢波。二極管D2用于補償D1的導(dǎo)通壓降，提高測量精度。為隔離后級，增加由運算放大器構(gòu)成的射極跟隨器。 圖3-1 峰值檢波電路此電路能夠檢測的信號頻率范圍很寬，被測信號頻率低時檢波的紋波較大，通過增加小電容和大電容并聯(lián)構(gòu)成的電容池可以濾除紋波，但二極管的管壓降必然會帶來一定誤差。如果此

9、電路中的二極管使用高頻二極管，就可大大提高測量范圍的頻率上限，但是此電路只適合于測量中高頻率段的信號。3.2 真有效值芯片AD637檢測法方案二.采用真有效值芯片AD637。所謂“真正有效值”亦稱真均方根值。交流電壓有效值定義為VRMS=（U2）1/2借助TRMS/DC轉(zhuǎn)換器對輸入電壓進行“平方-取平均值-開平方”運算，就能獲得交流電壓的有效值。在輸入有效值為1V時1%誤差的帶寬可達到200KHZ。綜合論證：峰值檢波法在低幅度、過低或過高頻時誤差較大，而應(yīng)用集成真有效值檢測芯片AD637進行有效值檢波具有準(zhǔn)確度高，測量面廣，顯示直觀的優(yōu)點，故采用方案二。二、 系統(tǒng)總體設(shè)計文案及實現(xiàn)方框圖經(jīng)過以

10、上分析論證，系統(tǒng)總體流程圖如下： 首先由單片機控制AD9851產(chǎn)生相應(yīng)頻率的正弦波（峰峰值穩(wěn)定在1.68V，最小值0V），此小信號進入雙T網(wǎng)絡(luò)后會有較大的衰減，為了減小后級整形及有效值檢測的穩(wěn)定性，用減法器將此信號的平均值降到0V。在前級與雙T網(wǎng)級聯(lián)中，為了減小雙T網(wǎng)絡(luò)所受的干擾，在雙T網(wǎng)絡(luò)之前加一級射極跟隨器。由于雙T網(wǎng)絡(luò)在中心頻率左右幅度衰減很大，而此小信號進入AD637進行有效值檢測會有較大的誤差，因而加一級低倍數(shù)的放大電路（12倍）。信號進入FPGA處理后直接進入MSP430的內(nèi)部高速A/D轉(zhuǎn)換輸出顯示輸出。三、雙T網(wǎng)絡(luò)的原理分析及計算1、雙T網(wǎng)絡(luò)的原理雙T網(wǎng)絡(luò)是屬于帶阻濾波器，其結(jié)構(gòu)

11、如圖3-1所示。對雙T網(wǎng)絡(luò)的要求是對某一頻率信號的輸入，該電路發(fā)生諧振而不能通過，而對其他頻率信號的輸入，則基本上可以通過，但在幅值上有所衰減。采用阻抗星形三角形變換法，可以證明雙T網(wǎng)絡(luò)可等效為一個簡單的型網(wǎng)絡(luò)，如圖3-2所示 圖3-1 雙T網(wǎng)絡(luò)電路圖 圖3-2 雙T網(wǎng)絡(luò)等效電路圖其中 當(dāng)發(fā)生諧振時，諧振電壓不能通過，則。即 此時需實部和虛部為0，聯(lián)立兩式可得，故中心頻率為 同理，可以證明其傳遞函數(shù)為可得幅頻特性為：相頻特性為： = 由于題目要求設(shè)計雙T網(wǎng)絡(luò)的中心頻率5kHz，帶寬±50Hz計算得出，并在對數(shù)坐標(biāo)下畫出該雙T網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖3-3和圖3-4所示

12、。圖3-3 雙T網(wǎng)絡(luò)幅頻特性曲線圖3-4 雙T網(wǎng)絡(luò)相頻特性曲線2、雙T網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計設(shè)計的雙T網(wǎng)絡(luò)如下:圖3-5 雙T網(wǎng)絡(luò) 圖3-6 幅頻特性仿真圖(效果好) 圖3-7 相頻特性仿真圖（效果一般）元件選?。河捎陬}目的掃頻范圍要求帶寬較高，所以采用高帶寬、高輸入阻抗的LF356芯片。另外實驗要求為阻容雙T網(wǎng)絡(luò)，中心頻率f0=5KHZ，帶寬Bw=100HZ。則計算如下： 四、主要功能模塊電路設(shè)計1、 AD9851正弦信號發(fā)生器AD9851模塊中晶振頻率40MHZ，進入AD9851芯片后，在內(nèi)部3倍頻為120MHZ，通過改變輸入控制字K(D0-D7)來改變輸出正弦波頻率fo=k*fclk/2，其中最小分

13、辨率0.04HZ，頻率在30MHZ以下時波形完美。并且輸出峰峰值1.66V，平均值0.69V。 圖4-1 AD9851模塊電路2、 減法電路及射極跟隨器 圖4-2 帶射隨的減法電路該電路可將AD9851輸入的正弦信號（峰峰值1.68V，最小值0V）調(diào)整到平均值為0V，即去掉直流分量，這樣可以避免后放大電路對直流的放大而帶來的不可預(yù)測的誤差。由高帶寬芯片LF356組成的簡單射極跟隨器在消除AD9851信號源與后級雙T網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的干擾方面有顯著的效果。3 整形電路 圖4-3 帶射隨的過零比較電路由于整形電路只是為測相位服務(wù)，那么直接采用過零比較器。但LM311比較電路要注意上拉電阻的合理選擇，否則輸

14、出方波上升沿會夾雜高頻波紋，其次就是在輸入端加電阻時，電阻應(yīng)近管腳，且小于10K（或更?。? 真有效值檢測AD637的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括有源整流器(即絕對值電路)、平方/除法器、濾波放大器、獨立的緩沖放大器(緩沖放大器既可以作為輸入緩沖用，也可以構(gòu)成有源濾波器來濾除紋波，提高測量準(zhǔn)確度)、偏置電路五部分。AD637的標(biāo)準(zhǔn)雙極點濾波電路如下圖所示。 圖4-4 AD637電路五、系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)以MSP430為主控芯片，來控制產(chǎn)生信號頻率以及對數(shù)據(jù)的采集、處理、轉(zhuǎn)換、顯示，而FPGA只是輔助測量相位及頻率。單片機單片機軟件編程采用C 語言完成，集成環(huán)境采用IAR Embedded。在此單片機軟件設(shè)計

15、按照“ 需要完成任務(wù)分析-界面功能設(shè)計-流程設(shè)計-編寫代碼-調(diào)試”的順序完成。根據(jù)系統(tǒng)的整體設(shè)計，單片機部分在系統(tǒng)中的任務(wù)可歸結(jié)為 以下幾個方面：a控制DDS產(chǎn)生掃頻信號，并且能獲得掃頻信號的頻率，以便頻率定標(biāo)。b控制A/D采樣以實現(xiàn)幅值的檢測。c.接受FPGA傳送的相位及頻率信息。c處理掃頻頻率與采集到的有效值信號，相位信號，得到信號（頻率等）參數(shù)，接受用戶鍵盤信息。d在LCD及示波器顯示參數(shù)和圖形。單片機軟件流程圖見附錄。六、測試數(shù)據(jù)與分析 a) 系統(tǒng)儀器PC機：Inspur 浪潮YB1731A 3A直流穩(wěn)壓電源華誼MASTECH MS8265 數(shù)字萬用表臺灣固緯Gwinstek GDS-

16、1062數(shù)字示波器MSP430F449 單片機Cyclone EP1CQC240-FULL FPGAb) 阻容雙T網(wǎng)絡(luò)幅值及相位測試由于在5V的峰值時，雙T網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)較好，所以用5V輸入作為標(biāo)準(zhǔn)測量。幅值測試表：Vp-p(V) 5vfin(kHZ)Vout(V)fin(kHZ)Vout(V)相位測量表：（但無理論值作對照）fin(kHZ)（度）fin(kHZ)（度）fin(kHZ)（度）由上面幅值測量表可得：該網(wǎng)絡(luò)在5K時衰減的幅度最大，說明中心頻率確實在5K，但在4.95K與5.05K時，信號的幅度并沒有完全恢復(fù)到5V，說明它的帶寬偏大。并且在5K時幅度衰減了27.9dB,說明該網(wǎng)絡(luò)的Q可以達

17、到要求。c) AD637真有效值測試 有效值測試表：Vrm f2M1M1K10050波 形1相 當(dāng)穩(wěn) 定誤差20%1.7%0.7%0.3%01%1%1%2有少量紋 波誤差9%000.5%0.5%1.5%1.5%1.5%有較大紋 波誤差10%2.3%3.9%3.9%3.2%2.3%2.3%2.3%由有效值測試表可得：AD637輸入幅度稍少時，輸出較穩(wěn)定，有效值測量精度高。 而輸入頻率過大或過小時，效果差。1V有效值輸入，效果最佳，精度可達1%。d) 其它功能a)起始頻率和結(jié)束頻率可通過鍵盤設(shè)置b)能在液晶顯示屏上顯示幅頻曲線、頻率、幅值、相位差。c)能夠改變步進進行掃頻。七、總結(jié)分析與結(jié)論實驗系

18、統(tǒng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)以下幾點問題：1） 地線不穩(wěn)定或過長時，由于分布電容的存在，頻率測量會有幾HZ的跳動。2） AD9851與后級模塊級聯(lián)時，任何時候都要加射極跟隨來消除對后級的影響。3） 在用示波器探針直接單點接觸FPGA針腳時，會有正確的顯示，但用導(dǎo)線引出再接探針，頻率及相位的測量都不準(zhǔn)確。4） 在靠近LM311比較器正、負電源管腳處接0.1uF的濾波電容。在輸出端上拉電阻處并小電容，有顯著濾除振蕩效果。5） 在每個獨立電源的正、負處都要接一大一小的濾波電容。6） 理論上含有直流分量的正弦波經(jīng)LF356放大后，直流與交流應(yīng)該是同等倍數(shù)的放大，但實際上卻出現(xiàn)了誤差性放大，從而導(dǎo)致有效值測量出現(xiàn)誤差，因而在放大信號時盡量避免直流與交流同時出現(xiàn)的情況。7） 信號在雙T網(wǎng)絡(luò)中心頻率處幅度