基于MCU和FPGA的波特儀的設(shè)計

1、2008年7月第7期電子測試EL ECTRON IC TEST J UL.2008NO.7 55電子測試E LECTRONIC TEST3基金項目:2005山東省教育廳項目EDA 技術(shù)在實際電子電路中優(yōu)化設(shè)計研究的資助基于MCU 和FPGA 的波特儀的設(shè)計3胡澤民,姚曉亮,楊林杰(山東大學(xué)威海分校威海264209摘要:頻率響應(yīng)特性是電路系統(tǒng)的重要性能指標,對電路的實際應(yīng)用有著重要的意義,波特圖是研究頻率響應(yīng)特性的重要手段。本文基于波特儀的工作原理,系統(tǒng)采用單片機(A T89S52和FP GA 為控制核心,通過對前級信號的調(diào)理及程控放大,對低頻段(0100k Hz 的數(shù)字脈沖鑒相,有效值轉(zhuǎn)換,及

2、對電路網(wǎng)絡(luò)進行幅頻特性曲線和相頻特性曲線的掃描,利用FP GA 進行頻率檢測和相位差檢測,用單片機作為顯示及用戶界面的控制核心,從而實現(xiàn)了波特儀的功能。通過對雙T 網(wǎng)絡(luò)幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)特性的測試,并與仿真數(shù)據(jù)進行比較,實驗證明該波特儀測試頻率范圍較廣、系統(tǒng)設(shè)計簡單。關(guān)鍵詞:單片機;FP GA ;鑒相;鑒頻;波特圖;頻率響應(yīng)中圖分類號:TP216文獻標識碼:ADesign of inst rument for measurement baudbased on MCU and FP GAHu Zemin ,Yao Xiaoliang ,Yang Linjie(Shandong Universit

3、y at Weihai ,Weihai 264209,China Abstract :The f requency response characteristic of circuit system is a very important perform 2ance quality ,and makes great significance to it s practicality.Bode plot is a usef ul way to st udy t he f requency response characteristic.The design based o n t he p ri

4、nciples of inst rument of measurement baud ,t he system takes t he MCU (A T89S52and FP GA as control core ,and t hen makes adjust of t he former signal and uses p rogrammable gain amplify ,makes digital p ulse of low frequency (0100k Hz to PD ,t ransforms into virt ual value.Through to scan t he plo

5、t of t he amplit ude frequency characteristic and p hase f requency characteristic of t he circuit network ,uses FP GA to make PD and FD ,and takes MCU as display and U ser Interface cont rol core.Then realize t he f unction of inst rument of measurement baud.Through testify t he amplit ude and p ha

6、se f requency characteristic of t he Double 2T circuit network ,and t hen compared to t he simulation data ,t he test validate t hat t his inst rument can testify wide frequency bound and de 2signed simply.K eyw ords :MCU ;FP GA ;PD ;FD ;Bode plot ;frequency response2008.7Application of MCU &PLD

7、 電子測試E LECTRONIC TEST560引言頻率特性是各種電路系統(tǒng)及電子儀器的重要性能指標,尤其是模擬和高頻電子線路中,系統(tǒng)的頻率特性尤為重要,頻率特性分為幅值特性和相頻特性。在高頻放大器、網(wǎng)絡(luò)的線性度分析、伺服電機的調(diào)速系統(tǒng)等各種情況下,均需要對頻率特性進行分析測量。1總體設(shè)計方案及實現(xiàn)框圖系統(tǒng)采用單片機和FP GA 共同控制的方案,掃頻信號選用DDS 技術(shù)產(chǎn)生,采用模擬開關(guān)進行通道選擇實現(xiàn)了在系統(tǒng)自檢測相和被測網(wǎng)絡(luò)特性測試間的切換,并選用真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD536實現(xiàn)了峰值檢測,采用脈沖計數(shù)法實現(xiàn)了相位檢測,系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。圖1波特儀系統(tǒng)實現(xiàn)框圖2主要功能電路的設(shè)計2.1模

8、擬電路設(shè)計部分該整形電路工作范圍:幅值范圍50mV 8V ,頻率范圍20Hz 1M Hz ;其中當1V 以上信號輸入時,100k Hz 內(nèi)可以保持兩路信號相位差不變(誤差0.1°。電路分為4部分,阻抗變換(前置放大,放大限幅,電平轉(zhuǎn)換,脈沖整形。微處理器及可編程器件應(yīng)用2008.7 57電子測試E LECTRONICTEST圖2顯示電路2.2FPG A 部分設(shè)計系統(tǒng)所需要的掃頻信號源、移相信號源、頻率測試控制、相位差測量控制、頻率特性顯示控制等模塊均由FP GA 完成,以下就主要模塊的具體實現(xiàn)進行相應(yīng)說明。當系統(tǒng)用做相位差測量儀的時候,就需要對輸入信號的頻率進行測量。本系統(tǒng)采用等精度

9、測頻方案。在單片機門控GA TE 的控制下對待測信號進行40M Hz 脈沖填充計數(shù),由單片機讀取計數(shù)值即可計算出待測頻率,其電路如圖3所示。圖3頻率測量控制作為波特儀測量控制的核心部分,為了力求減小因單片機的控制而引起的測量誤差。采用動態(tài)門控測量控制,我們對傳統(tǒng)數(shù)字脈沖鑒相的控制進行了改進。電路設(shè)計如圖4所示。電路的核心部分是異或門鑒相電路,對計數(shù)門2008.7Application of MCU &PLD 電子測試E LECTRONIC TEST58控采取動態(tài)技術(shù):即利用其中一路輸入脈沖進行8分頻,因此而得到一個寬度隨信號頻率變化而變化的動態(tài)“門控”,隨著頻率的升高,測量速度也隨之加

10、快。電路工作時序仿真圖如圖5所示。3系統(tǒng)軟件的設(shè)計測量模塊主要實現(xiàn)掃頻測量和相位差測量功能。要求能預(yù)置掃頻范圍,步進,幅度,并顯示掃頻過程中的數(shù)據(jù),程控輸入信號幅度,控制示波器光標位置等,故使用3×6鍵盤和128×64點陣液晶作為人機交互界面,并通過232串口與從機通信,通過A T89S52的P3.4,P3.5與從機實現(xiàn)同步。軟件流程圖如圖6所示。微處理器及可編程器件應(yīng)用2008.7 59電子測試E LECTRONICTEST圖6軟件流程4測試數(shù)據(jù)測試儀器及型號采用:自制穩(wěn)壓電源(可提供5V ,±2V ,±15V 的電源;直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源:SG1733S

11、B3A ;數(shù)字示波器:Tekt ronix TDS 100260M Hz ;模擬示波器:GOS 26051;使用自制波特儀對雙T 網(wǎng)絡(luò)幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)特性進行測試,并與仿真數(shù)據(jù)進行比較,可驗證檢驗儀器的指標。在三組測試中輸入信號峰峰值分別為500mV ,2V ,4V ,頻率從20Hz 到300k Hz 頻段的正弦波作為輸入信號,以此來檢測雙T 網(wǎng)絡(luò)的幅頻響應(yīng)及相頻響應(yīng)特性。測試結(jié)果如表1所示。表1測試結(jié)果響應(yīng)頻率/Hz500mV2V4V增益相位增益相位增益相位20-1.1-0.2-0.2-0.4-0.1-0.31003.6-0.43.9-0.23.9300k 2008. 7 Applicat

12、ion of MCU & PLD 輸入信號峰峰值為 500 mV 時 ,仿真的幅頻響 應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線如圖 7 所示 。 5 結(jié) 論 在高頻放大器 、 網(wǎng)絡(luò)的線性度分析時均需要對 頻 率 特 性 進 行 分 析 測 量 。系 統(tǒng) 采 用 單 片 機 ( A T89S52 和 FP GA 為控制核心 , 利用 FP GA 的 高速進行鑒頻和鑒相 , 同時采用等精度鑒頻原理 , 使系統(tǒng)能夠達到精度要求 ,系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)表明本 設(shè)計方案具有較好的應(yīng)用價值 。 參考文獻 圖7 峰峰值 500 mV 輸入信號峰峰值為 2 V 時 ,仿真的幅頻響應(yīng)和 相頻響應(yīng)曲線如圖 8 所示 。 1 張志良 .

13、 單片機原理與控制技術(shù) M . 北京 : 機械工 業(yè)出版社 ,2006. 2 楊小川 . Protel DXP 設(shè)計指導(dǎo)教程 M . 北京 : 清華 大學(xué)出版社 ,2003 年 . 3 王幸之 ,鐘愛琴 ,王雷 ,等 . A T89 系列單片機原理與 接口技術(shù) M . 北京 : 北京 航空航 天大 學(xué)出版 社 , 2004. 4 謝自美 . 電子電路設(shè)計 、 實驗 、 測試 M . 武漢 : 華中 圖8 峰值為 2 V 科技大學(xué)出版社 ,2000. 5 王振營 , 李滿 , 楊君 . ProtelDXP 2004 電路設(shè)計與制 輸入信號峰峰值為 4 V 時 ,仿真的幅頻響應(yīng)和 相頻響應(yīng)曲線如圖 9 所示 。 板實用教程 M . 北京 : 中國鐵道出版社 ,2006. 6 Altera 公司 . Cyclone II DataSheet Z . www. altera. com. cn. 7 田磊 . 基于 A T89C2051 的智能頻率計系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計 8 張劍平 . 智能化檢測系統(tǒng)及儀器 M . 北京 : 國防工 J . 電子測試 ,2008 (1 :24228. 264209 業(yè)出版社 ,2005. 作者簡介 圖9 峰峰值為 4 V 通過與仿真測試數(shù)據(jù)對比 ,經(jīng)過測試本系統(tǒng)達 到的指標如下 : ( 1 測試范圍 : 頻率范圍 :0400 k