基于AD9851的便攜式數(shù)字掃頻儀器的設計硬件設計論文

1、. . . . 1 / 36基于基于 AD9851AD9851 的便攜式數(shù)字掃頻儀器的設計的便攜式數(shù)字掃頻儀器的設計( (硬件設計硬件設計) )DesignDesign ofof portableportable digitaldigital basedbased onon AD9851AD9851 sweepsweep frequencyfrequency instrumentinstrument (hardware(hardware design)design). . . . I / 36基于基于 AD9851AD9851 的便攜式數(shù)字掃頻儀器的設計的便攜式數(shù)字掃頻儀器的設計( (硬件設計

2、硬件設計) )摘摘 要要掃頻儀是測量網(wǎng)絡傳輸特性的儀器，在現(xiàn)代電子測量中占據(jù)著重要的地位。本文著重分析了掃頻儀的工作原理，提出了一種基于 DDS 技術的掃頻儀的設計方案。在對市場上掃頻儀的研究現(xiàn)狀和對系統(tǒng)特性進行分析以后，確定了本設計的性能指標和總體方案。此設計主要有掃頻信號發(fā)生器電路、增益控制電路、自動電平控制電路、檢波頭輸出電路、單片機 ATmega128 以與電源模塊電路等模塊組成，其中掃頻信號發(fā)生器電路采用 DDS 純數(shù)字化方法，具有高速的頻率轉換時間、極高的頻率分辨率和較低的相位噪聲還具有可編程控制等優(yōu)點，再加上增益控制電路、自動電平控制電路等，使掃頻儀能適應各種測試要求。利用微處理

3、器 ATmega128 作為控制與處理單元，使用集成化的幅度和相位檢測芯片，配有 LCD192X64 液晶顯示，使這種掃頻儀設計簡單，調試方便，性能穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)界面友好，能夠在全頻圍自動步進測量，可預置測量圍與步進頻率值,可以更加細致的觀察頻率特性圖，給使用者帶來方便。關鍵詞關鍵詞 掃頻儀掃頻儀 DDSDDS 技術技術 增益控制增益控制 . . . . AbstractSweep generator is an instrument for measuring transmission characteristics of the network. In this paper, the wo

4、rking principle of sweep generator were analysed emphatically, then a design scheme based on DDS technology were put forward. After analysing the research status of the sweep generators in the market and the system characteristics, we make sure the performance index and general scheme. In this desig

5、n, the sweep generator consists of several parts, they respectively are swept signal generator circuit, gain control circuit, automatic voltage control circuit，detecting head output circuit，atmega128 microcontroller,power module circuit In which swept signal generator adopt the pure digital techniqu

6、e which has high-speed frequencyconversion time, extremely high frequency resolution, lower phase noise and the outstandingadvantage of programe control, superadd the gain control circuit and Automatic voltage control circuit, the sweep generator can adapt to various test requirements. Embedded micr

7、oprocessor AD9851 we re used as the control and processing and the compositive magnitude and phase detecting circuit LCD 192X64make the design of sweep generator more simple, the debuggingmore convenient and the performance more stable and reliable. In addition, this sweep generator can make steppin

8、g measurementautomatically in the whole frequency range. We can preset measuring range and stepping frequency, so the detailed frequency characterist ic curves can be seen clearly. This function brings users much convenience.Key words: sweep generator DDS techonology gain control . . . . 1 / 36目錄摘要摘

9、要 IABSTRACTII第一章緒論 11.1 掃頻儀簡介 11.2 掃頻儀的分類與其簡介 2第二章便攜式掃頻儀器方案的選擇 72.1 掃頻儀基本知識 72.1.1 掃頻儀的功能與用途 72.1.2 基本測量原理 72.2 系統(tǒng)的主要性能指標 82.3 總體方案設計與論證 92.3.1 方案一介紹 92.3.2 方案二介紹 92.4 方案比較 102.5 總體方案確立 11第三章單元電路設計與分析 123.1 單片機主控模塊的設計與分析 123.1.1ATmega 單片機簡介 123.1.2 單片機主控電路 163.2 信號發(fā)生模塊電路設計與分析 173.2.1 AD9851 芯片簡介 173

10、.2.2 信號發(fā)生模塊電路 18. . . . 3.3ALC 寬帶放大器的設計與分析 193.4 電源電路模塊的設計與分 203.5 LCD 顯示模塊電路 213.5.1 LCD 芯片簡介 213.5.2 LCD192X64 顯示電路 233.6，檢波電路 243.6.1 檢波電路的基本介紹：243.6.2 檢波電路原理 27第四章軟件部分簡介 284.1 主程序模塊 284.2 AD9851 電路驅動程序 29總結 30參考文獻 31致 32. . . . 1 / 36第一章 緒論1.11.1 掃頻儀簡介掃頻儀簡介在電子測量中，經(jīng)常遇到對網(wǎng)絡的阻抗特性和傳輸特性進行測量的問題，其中傳輸特性包

11、括增益和衰減特性、幅頻特性、相頻特性等。用來測量前述特性的儀器我們稱為頻率特性測試儀，簡稱掃頻儀。它為被測網(wǎng)絡的調整，校準與故障的排除提供了極大的方便。掃頻儀一般由掃描鋸齒波發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、寬帶放大器、頻標信號發(fā)生器、X 軸放大、Y 軸放大、顯示設備、面板鍵盤以與多路輸出電源等部分組成。其基本工作過程是通過電源變壓器將 50Hz 市電降壓后送入掃描鋸齒波發(fā)生器，就形成了鋸齒波，這個鋸齒波一方面控制掃頻信號發(fā)生器，對掃頻信號進行調頻，另一方面該鋸齒波送到 X 軸偏轉放大器放大后，去控制示波器 X 軸偏轉板，使電子束產(chǎn)生水平掃描。由于這個鋸齒波同時控制電子束水平掃描和掃頻振蕩器，因此電子束

12、在示波管熒光屏上的每一水平位置對應于某一瞬時頻率。從左向右頻率逐漸增高，并且是線性變化的。掃頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的掃頻信號送到寬帶放大器放大后，送入衰減器，然后輸出掃頻信號到被測電路。為了消除掃頻信號的寄生調幅，寬帶放大器增設了自動增益控制器（AGC） 。寬帶放大器輸出的掃頻信號送到頻標混頻器，在頻標混頻器中與 1MHz 和 10MHz 或 50MHz 晶振信號或外頻標信號進行混頻。產(chǎn)生的頻標信號送入 Y 軸偏轉放大器放大后輸出給示波管的 Y 軸偏轉板。掃頻信號通過被測電路后，經(jīng)過 Y 軸電位器、衰減器、放大器放大后送到示波管的 Y 軸偏轉板，得被測電路的幅頻特性曲線。1.21.2 掃頻儀的分類與

13、其簡介掃頻儀的分類與其簡介信號掃描頻率發(fā)生器，也被定為一個測試信號掃頻發(fā)生器，功能掃頻發(fā)生器，樂音掃頻發(fā)生器，任意波形掃描頻率發(fā)生器，或頻率掃頻發(fā)生器，生成重復的電子信號（在任在模擬或數(shù)字域）的電子裝置。它們通常用于設計，測試，故障排除和修復電子電聲器件，雖然他們往往有藝術用途。有許多不同的類型的信號掃描頻率發(fā)生器，帶有不同的目的和應用程序（且在不同. . . . 的費用水平） ，在一般情況下，沒有任何的移動設備是適合用于所有可能的應用。 傳統(tǒng)上，信號掃頻發(fā)生器已被嵌入的硬件單元，但由于多媒體 PC 的年齡，靈活的，可編程的軟件樂音掃頻發(fā)生器也可用。（1）功能掃頻發(fā)生器 一個功能掃描頻率發(fā)生器

14、也是一個裝置，它生產(chǎn)簡單的重復波形。這種裝置包含一個電子振蕩器，一個電路，該電路能夠創(chuàng)建一個重復波形。 （現(xiàn)代的設備可以使用數(shù)字信號處理的合成波形，后跟一個數(shù)字到模擬的轉換器，或 DAC，以產(chǎn)生一個模擬輸出） 。最常見的波形為正弦波，脈沖，方波和三角波振蕩器鋸齒波，通?？勺鳛槿我獠ㄐ螔呙桀l率發(fā)生器（AWG） 。如果以上的音頻頻率圍（ 20 千赫）的振蕩器的工作，掃頻發(fā)生器通常包括某種形式的調制功能，諸如振幅調制（AM） ，頻率調制（FM）或相位調制（PM）以與一個第二振蕩器，提供了一個音頻的頻率調制波形。 功能掃描頻率的發(fā)生器常使用簡單的電子維修和設計的，它們被用來刺激被測電路的。然后，使用的

15、設備，如示波器測量電路的輸出。功能掃描頻率發(fā)生器不同的輸出功能，頻率圍，頻率精度和穩(wěn)定性，和其他一些參數(shù)的數(shù)量。（2）任意波形掃描頻率發(fā)生器任意波形掃描頻率發(fā)生器，或 AWG 的，是復雜的信號掃描頻率發(fā)生器，允許用戶在公布的頻率圍限制生成任意波形，頻率圍，精度和輸出。不像函數(shù)掃描頻率發(fā)生器，它被限制為一組簡單的波形;AWG 允許用戶在各種不同的方式指定的源波形。 AWG 的是比功能掃描頻率發(fā)生器一般都比較昂貴，而且往往更多的可用帶寬非常有限，因此，他們通常只限于較高端的設計和測試應用程序。 （3）音頻掃頻發(fā)生器和音頻掃頻頻率發(fā)生器樂音掃頻發(fā)生器是一種典型的用于在音頻和聲學優(yōu)化的信號掃描頻率發(fā)生

16、器。樂音掃頻發(fā)生器通常包括以上的音頻頻率圍（20 Hz 至 20 kHz）的正弦波。精密的音調掃頻發(fā)生器也將包括掃描掃描頻率發(fā)生器，多音掃頻發(fā)生器（該輸多個的色調的同時，和用于檢查互調失真和其它非線性效應） ，和猝發(fā)音（用于測量響應瞬變） 。音掃頻發(fā)生器通常用于一并聲級計，當測量一個房間或聲學的聲音重放系統(tǒng)，和/或與示波器或專門的音頻分析儀。 許多音掃描頻率發(fā)生器在數(shù)字域進行操作，在各種數(shù)字音頻格式，如 AES-3，或 SPDIF輸出。這種掃描頻率發(fā)生器可以包括特殊的信號，刺激各種數(shù)碼效果和存在的問題，如裁剪，抖動，誤碼，他們還經(jīng)常提供的方法來處理相關的元數(shù)據(jù)與數(shù)字音頻格式。. . . . 3

17、 / 36 . . . . 7 / 36第二章 便攜式掃頻儀器方案的選擇2.12.1 掃頻儀基本知識掃頻儀基本知識2.1.1 掃頻儀的功能與用途某種幅頻特性是各種控制系統(tǒng)在頻域中的建立起來的一種數(shù)學模型，它準確的描述了系統(tǒng)部的在特性，而且與外界因素無關，當一個系統(tǒng)結構的參數(shù)給定了，那么系統(tǒng)的頻率特性也被完全確定。在信號與系統(tǒng)的學習中我們知道，在不知到系統(tǒng)的頻譜特性時，我們將其看作是一個“黑箱子” ，然后通過輸入、輸出的傳遞函數(shù)的關系來描述系統(tǒng)的在特性。這在電路系統(tǒng)中也采用了一樣的方法，即使在相當多的情況下，我們即便無法知道電路的詳確切結構，或無法獲得電路中各個組件的準確參數(shù)，只能將所要分析的電

18、路系統(tǒng)作為“黑箱”來處理。我們通過測量網(wǎng)絡的輸入和輸出經(jīng)計算得到網(wǎng)絡的幅頻特性，便攜式數(shù)字掃頻儀就是將“黑箱”的幅頻特性曲線直觀地反映在顯示器上的的一種網(wǎng)絡分析儀器。2.1.2 基本測量原理測量幅頻特性有許多種方法,最基本的有兩種方法：動態(tài)測量法和穩(wěn)態(tài)測量法。（1）動態(tài)測量法動態(tài)測量法主要是指沖激響應測量法，它利用被測網(wǎng)絡的沖激響應來推算出網(wǎng)絡的頻率特性。當我們將一個特定的輸入信號加在某個被測網(wǎng)絡是,那么由于網(wǎng)絡具有特定的幅頻特性就會產(chǎn)生一個特定的輸出,從而推算出被測網(wǎng)絡的幅頻特性。（2）穩(wěn)態(tài)測量法穩(wěn)態(tài)測量法的被測系統(tǒng)為線性非時變網(wǎng)絡。如圖 2-1 所示。 . . . . 圖 2-1穩(wěn)態(tài)測量法

19、原理圖 2-1 是一個最簡單的穩(wěn)態(tài)測量網(wǎng)絡，圖中單調諧電路就是一個線性非時變網(wǎng)絡，其測量過程是：先將信號源 Ui(t) = sint 加到被測網(wǎng)絡的輸入端，網(wǎng)絡的穩(wěn)態(tài)響應為（上圖 a 所示）Uo(t) = H(j)sin(t+(w)。這樣對于每一個特定的 ，通過被測網(wǎng)絡后得到一個穩(wěn)態(tài)響應（上圖 b 所示）H(j)，響應信號與輸入信號的幅值比即為該頻率的幅頻響應值，而兩者的相位差即為相頻響應值，可以采用頻率逐點步進或頻率連續(xù)變化的方法，完成整個頻率特性的測量，因此，這種方法也被稱為掃頻法。2.22.2 系統(tǒng)的主要性能指標系統(tǒng)的主要性能指標本設計是基于 DDS 技術的數(shù)字掃頻儀，掃頻信號圍為 0H

20、z 70kHz；掃頻信號頻率分辨率不低于 1Hz；輸出阻抗為 50；掃頻步長可以在 1Hz 70kHz 圍以整數(shù)為單位自行調整，所實現(xiàn)的主要功能和測量精度如下：a，幅度測量精度小于 0.1V。b，能在全頻圍自動步進測量，可預置測量圍與步進頻率值。c，能直觀的顯示幅頻特性曲線，并能直接讀出頻率值與頻率所對應的幅度值。d，能存儲被測網(wǎng)絡的測量結果。e，測量結果在 LCD 上顯示。f，輸出掃頻信號電壓分為兩個通道：通道 1 為（0 1Vpp） ，通道 2 為（0 10Vpp）頻率標記信號分兩檔：頻標 1 為步進頻率的 1 倍；頻標 2 為步進頻率的 56 倍。g，掃頻信號的輸出衰減器衰減圍：0 72

21、dB。. . . . 9 / 362.32.3 總體方案設計與論證總體方案設計與論證通過對便攜式數(shù)字掃頻儀概念的理解和對技術指標的分析可知，掃頻儀的設計關鍵在于掃頻信號源、檢波器,單片機控制電路的設計，本文提出了兩個設計方案。2.3.1 方案一介紹采用動態(tài)測量法，即沖擊響應測量的方法。如圖下所示，圖中 e(t)和 r(t)分別是系統(tǒng)時域中的激勵函數(shù)和零狀態(tài)響應函數(shù)，假設 e(t)和 r(t)的傅立葉變換分別是 E(j)和 R(j)，則系統(tǒng)的頻率特性 H（j）可用式（2-1）計算： H（j）R(j)/ E(j) （2-1）圖 2-2沖擊響應測量原理圖當輸入激勵函數(shù) e(t)單位沖激函數(shù) (t)時

22、，則輸出為系統(tǒng)的單位沖激響 h(t)，由于（1）式中的 E(j)恒等于 1，于是就有公式（2-2） 。 （2.2）計算得到的 H (j)為復數(shù)，包含了幅頻特性和相頻特性的完整信息。本方案可以采用目前的 DSP 技術實現(xiàn)，只要產(chǎn)生一個沖激脈沖 (t)，并對輸出響應進行數(shù)據(jù)采集，對輸出信號進行傅里葉變換就能得到被測系統(tǒng)的頻率特性。2.3.2 方案二介紹采用穩(wěn)態(tài)測量法，即掃頻法，如圖 2-3 所示。 . . . . 微 控 制 器 C8051DDS掃頻源寬帶放大器程控衰減器ADC轉換器鍵 盤液晶顯示器被測網(wǎng)絡有效值檢波器圖 2-3 掃頻法測量硬件框圖掃頻法是運用響應信號與輸入信號的幅值比（即該頻率的

23、幅頻響應值）來反映網(wǎng)絡的幅頻特性。本方案的硬件設計框圖如圖 2-3，由微控制器 ATmega128 控制 DDS 掃頻源產(chǎn)生低頻掃頻信號，經(jīng)寬帶放大器將信號進行放大，再由自動電平控制控制掃頻信號的幅度值，最終產(chǎn)生幅度可控且穩(wěn)定的掃頻信號。由于被測網(wǎng)絡是線性非時變網(wǎng)絡，所以掃頻信號經(jīng)過被測網(wǎng)絡后，在被測網(wǎng)絡的輸出端得到的是調幅波，此調幅波經(jīng)過有效值檢波，將載波濾出，最后進入 ADC 轉換器的信號就是反映被測網(wǎng)絡幅頻特性的信號。經(jīng) ADC 進行采樣處理，最后由微控制器將處理的采樣值送到液晶顯示器顯示，這樣被測網(wǎng)絡的幅頻特性就直觀地顯示出來了。2.42.4 方案比較方案比較方案一：采用動態(tài)測量的方法

24、，這種方法的好處是不需額外添加掃頻信號源，也不必添加幅度檢波電路和相位差檢測電路，因而硬件工作量小，測量時間比較短。但這種方法一般只適合用于低頻系統(tǒng)的測量中，例如音頻的分析、電聲系統(tǒng)的分析、振動系統(tǒng)的. . . . 11 / 36分析等。但在實際制作中需要制作一個質量相當高的沖激激勵脈沖信號源，或者頻譜和統(tǒng)計特性滿足測量要求的任意波形或序列信號，還需要一定的數(shù)據(jù)采集速度以與數(shù)字信號處理計算能力，這些都不易實現(xiàn)。方案二：穩(wěn)態(tài)測量法適用于很寬的頻段，需要額外添加一個頻率可步進或可掃頻的并符合相應指標要求的信號源，需要幅值檢波器，所需的儀器還包括掃頻、檢測和顯示的同步控制模塊，整個系統(tǒng)的硬件規(guī)模較方

25、案一龐大多，數(shù)字計算的軟件工作量則相對較小。在被測量系統(tǒng)可以接受的安全輸入幅值圍，激勵信號的全部能量都可以集中于某一頻率上，被測網(wǎng)絡對該頻率激勵的穩(wěn)態(tài)輸出信號分量的信噪比高，有利于提高測量精度。缺點是每次測量的是網(wǎng)絡的穩(wěn)態(tài)響應，需要等待網(wǎng)絡達到穩(wěn)態(tài)，從而測量時間上比較長。2.52.5 總體方案確立總體方案確立綜合考慮上面兩種方法的優(yōu)缺點，也考慮到我們所學的知識以與各方法可以實現(xiàn)的可能性，我們決定選用總體方案二 穩(wěn)態(tài)測量法。相對于質量要求很高的沖激激勵脈沖信號源來說，掃頻信號源信號更容易實現(xiàn)。. . . . 第三章 單元電路設計與分析本方案首先是由微控制器 ATmega128 控制 DDS 掃頻

26、源 AD9851 產(chǎn)生特定的低頻掃頻信號，然后經(jīng)過幅值放大電路，自動電平控制電路加在被測網(wǎng)絡的輸入端，檢波電路則將被測網(wǎng)絡的輸出輸入給 ADC 轉換器，再送給微處理器 ATmega128，微處理器經(jīng)過運算得到被測網(wǎng)絡的幅頻特性曲線并在 LCD192X64 上面顯示出來，由于本系統(tǒng)采用的芯片較多，各芯片的額定電壓不一，因此加入了復雜的電源電路。3.13.1 單片機主控模塊的設計與分析單片機主控模塊的設計與分析3.1.1ATmega 單片機簡介ATmega128是ATMEL 公司的 8 位系列單片機的最高配置的一款單片機，穩(wěn)定性極高，應用極其廣泛。（1）主要特性的介紹a，高性能、低功耗的 AVR

27、8 位微處理器b，先進的 RISC 結構 133 條指令 大多數(shù)可以在一個時鐘周期完成 32 x 8 通用工作寄存器 + 外設控制寄存器 全靜態(tài)工作 工作于 16 MHz 時性能高達 16 MIPS 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器c，非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器 128K 字節(jié)的系統(tǒng)可編程 Flashd，壽命: 10,000 次寫/ 擦除周期 具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區(qū)e，通過片的啟動程序實現(xiàn)系統(tǒng)編程f，讀- 修改- 寫操作 4K 字節(jié)的 EEPROM 4K 字節(jié)的部 SRAM 多達 64K 字節(jié)的優(yōu)化的外部存儲器空間 可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)軟件加密. . . . 13 / 36 可以

28、通過 ISP 實現(xiàn)系統(tǒng)編程g，JTAG 接口( 與 IEEE 1149.1 標準兼容) 遵循 JTAG 標準的邊界掃描功能 支持擴展的片調試 通過 JTAG 接口實現(xiàn)對 Flash, EEPROM, 熔絲位和鎖定位的編程(2) 外設特點 兩個具有獨立的預分頻器和比較器功能的 8 位定時器/ 計數(shù)器 兩個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器/ 計數(shù)器 具有獨立預分頻器的實時時鐘計數(shù)器兩路 8 位 PWM 6 路分辨率可編程（1 到 16 位）的 PWM 輸出比較調制器 8 路 10 位 ADC 8 個單端通道 7 個差分通道 2 個具有可編程增益（1x, 10 x, 或 200 x

29、）的差分通道 面向字節(jié)的兩線接口 兩個可編程的串行 USART 可工作于主機/ 從機模式的 SPI 串行接口 具有獨立片振蕩器的可編程看門狗定時器 片模擬比較器（3）特殊的處理器特點 上電復位以與可編程的掉電檢測 片經(jīng)過標定的 RC 振蕩器 片/ 片外中斷源 6 種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以與擴展的 Standby 模式 可以通過軟件進行選擇的時鐘頻率 通過熔絲位可以選擇 ATmega103 兼容模式. . . . 全局上拉禁止功能（4）I/O 和封裝 53 個可編程 I/O 口線64 引腳 TQFP 與 64 引腳 MLF 封裝 工

30、作電壓 2.7 - 5.5V ATmega128L 4.5 - 5.5V ATmega128 速度等級 0 - 8 MHz ATmega128L 0 - 16 MHz ATmega128ATmega128TQFP 封裝現(xiàn)主要有這些型號：ATmega128-16AU、ATmega128-16AI。下面對 ATmega128 的型號標識進行解析：1、型號緊跟的字母，表示電壓工作圍。帶“L”：2.7-5.5V；若缺省，不帶“L”：4.5-5.5V。例：ATmega128-16AU，不帶“L”表示工作電壓為 4.5-5.5V。2、后綴的數(shù)字部分，表示支持的最高系統(tǒng)時鐘。例：ATmega128-16AU

31、， “16”表示可支持最高為 16MHZ 的系統(tǒng)時鐘。3、后綴第一（第二）個字母，表示封裝。 “P”：DIP 封裝， “A”：TQFP 封裝， “M”：MLF 封裝。例：ATmega128-16AU， “A”表示 TQFP 封裝。4、后綴最后一個字母，表示應用級別。 “C”：商業(yè)級， “I”：工業(yè)級（有鉛） 、 “U”工業(yè)級（無鉛） 。例：ATmega128-16AU， “U”表示無鉛工業(yè)級。ATmega128-16AI， “I”表示有鉛工業(yè)級。（5）ATmega128 各引腳功能介紹Vcc:數(shù)字電路的電源。GND:地。a，端口 A(PA7PAO):端口 A 為雙向 I/O 口并具有可編程的部

32、上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時,若部上拉電阻使能,則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口 A 為三態(tài)。端口 A 也可以用作其他不同的特殊功能。b，端口 B(PB7PB0):端口 B 為 8 位雙向 I/O 口,并具有可編程的部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時,若部上拉電阻使能.則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口 B 為三態(tài)。端口 8 也可以用作. . . . 15 / 36其他不同.c，端口 C(PC7PC0):端口 C 為 8 位雙向 I/0 口,并具有可編程的部上拉電阻。其

33、輸出緩沖器具有對稱的驅動特性,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時,若部上拉電阻使能.則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口 C 為三態(tài)。端口 C 也可以用作其他不同的特殊功能。在 ATmegal 03 兼容模式下,端口 C 只能作為輸出,而且在復位發(fā)生時不是三態(tài)。d，端口 D(PD7PD0):端口 D 為 8 位雙向 I/0 口,并具有可編程的部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時.若部上拉電阻使能.則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口 D 為三態(tài)。端口 D 也可以用作其他不同。e，端口 E(PE7PE0):端口 E 為 8 位

34、雙向 I/0 口,并具有可編程的部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時.若部上拉電阻使能.則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口 E 為三態(tài)。端口 E 也可以用作其他不同的特殊功能.。d，端口 F(PFTPF0):端口 F 為 ADC 的模擬輸人引腳。如果不作為 ADC 的模擬輸入.端口 F 可以作為 8 位雙向 I/0 口,并具有可編程的部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時,若部上拉電阻使能.則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口 F 為三態(tài)。如果使能了 JTAG 接口.則復位發(fā)生時引腳

35、 PF 7(TDI)、PF5(TMS)和 PF4(TCK)的上拉電阻使能。端口 F 也可以作為 J TAG 接口。在 ATmegal03 兼容模式下,端口 F 只能作為輸入引腳。g，端口 G(PG4-PG0):端口 G 為 5 位雙向 I/O 口,并具有可編程的部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時.若部上拉電阻使能.則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口 G 為三態(tài)。端口 G 也可以用作其他不同的特殊功能。在 ATmegal 03 兼容模式下.端口 G 只能作為外部存儲器的鎖存信號以與 32kHz 振蕩器的輸入,并且在復位時這些引腳初始化為

36、 PG0=1、PGl=1 以與PG2=0。PG3 和 PG4 是振蕩器引腳。 .RESET:復位輸入引腳。超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復位。低于此時間的脈沖不能保證可靠復位。XTALl:反向振蕩器放大器與片時鐘操作電路的輸入。XTAL2:反向振蕩器放大器的輸出。AVCC 為端口 F 以與 ADC 轉換器的電源.需要與 Vcc 相連接.即使沒有使用 ADC 也應該. . . . 如此。使用 ADC 時應該通過一個低通濾波器與 Vcc 連接。AREF:AREF 為 ADC 的模擬基準輸入引腳。PEN 是 SPl 串行下載的使能引腳。在上電復位時保持麗為低電平將使器件進入。SPl串行下載模式,

37、在正常工作過程中 PEN 引腳沒有其他功能.3.1.2 單片機主控電路單片機 ATmega128 是此便攜式數(shù)字掃頻儀的控制芯片，由于此系統(tǒng)電路龐大，需要單片機的引腳較多，普通的單片機芯片像 c51 就不能滿足本設計的需要，因此采用ATmega128 芯片，下面簡單介紹一下此部分的工作原理，首先單片機控制 AD9851 芯片使其產(chǎn)生一定頻率的信號，并加在被測網(wǎng)絡的輸入端，由于被測網(wǎng)絡具有一定的幅頻特性，因此當被測網(wǎng)絡的輸入端加上一定的頻率幅值的信號后，則其輸出端就會相應的產(chǎn)生一特定的頻率幅值的信號。單片機 ATmega128 控制 AD9851 芯片產(chǎn)生一定的信號并加在被測網(wǎng)絡的輸入端，然后被

38、測網(wǎng)絡的輸出端將其輸出的信號加給檢波頭，當檢波頭把檢測到的信號幅值輸入給單片機 ATmega128 后，單片機 ATmega 根據(jù)部的程序運算后就能得到被測網(wǎng)絡的幅頻特性曲線，并在 LCD192X64 上面顯示出來。圖 3-1 單片機主控電路圖. . . . 17 / 363.23.2 信號發(fā)生模塊電路設計與分析信號發(fā)生模塊電路設計與分析.1 AD9851 芯片簡介AD9851 芯片是 ADI 公司采用當時先進的 DDS 技術推出的較高集成度 DDS 頻率合成器，它部包括可編程 DDS 系統(tǒng)、高性能的 DAC 與高速比較器，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成和時鐘發(fā)生。AD9851

39、 接口功能控制簡單，可以用 8 位并行口或串行口直接輸入頻率、相位等控制數(shù)據(jù)。32 位頻率控制字，在 180MHz 時鐘下，輸出頻率分辨率達 0.0372Hz。先進的 CMOS 工藝使 AD9851 不僅性能指標一流，而且功耗低，在 3.3V 供電時，功耗僅為155mW。（1）各引腳介紹：D0D7: 8 位數(shù)據(jù)輸入口，可給部寄存器裝入 40 位控制數(shù)據(jù)。PGND：6 倍參考時鐘倍頻器的地。PVCC：6 倍參考時鐘倍頻器電源。WCLK：字裝入信號，上升沿有效。FQUD：頻率更新控制信號，時鐘上升沿確認輸入數(shù)據(jù)有效。REFCLOCK：外部參考時鐘輸入。AGND：模擬地。AVDD：模擬電源（+5V）

40、 。DGND：數(shù)字地。DVDD：數(shù)字電源（+5V） 。Rset：通過串聯(lián)一個電阻到地，設置 DAC 輸出滿額時的電流。VOUTN：部比較器負向輸出端。VOUTP：部比較器正向輸出端。VINN：部比較器負向輸入端。VINP：部比較器正向輸入端。DACBP：DAC 旁路連接端。IOUTB：”互補“DAC 輸出。IOUT：部 DAC 輸出端。RESET：復位端。（2）原理分析. . . . AD9851 采用直接數(shù)字合成（DDS）技術，以數(shù)字控制振蕩器（DCO）的形式產(chǎn)生頻率/相位可變的正弦波，經(jīng)過部 10 位的高速數(shù)/ 模轉換輸出模擬信號。片高速比較器可以將模擬正弦波信號轉變?yōu)榉€(wěn)定的 TTL/CM

41、OS 兼容的方波輸出。AD9851 高速 DD5 核可接收 32 位的頻率控制字輸入，在 180MHz 的系統(tǒng)時鐘下可輸出的頻率分辨率為 180MHz/（2 的 32 次方） 。AD9851 部提供一個 6 倍頻的 REFCLK 倍頻器，可以通過外接一個較低頻率的基準時鐘產(chǎn)生 180MHz 的部基準時鐘，具有較好的無雜散動態(tài)圍和相位噪聲特性。芯片部提供了 5 位可編程相位調制精度，可使得輸出波形的相位偏移小于 11.25 度；AD9851 部華提供了一個高速比較器，部 D/A 轉換器輸出的正弦波可以通過它轉換為方波輸出。AD9851 頻率控制字、相位調節(jié)字以與可以采用并行或串行方式異步加載到芯

42、片部。并行加載模式有連續(xù) 5 個 8 位字節(jié)構成，其中第一個 8 位字節(jié)包括 5 位相位調節(jié)字、1位 6*REFCLK 倍頻器控制、1 位電源休眠使能和一位加載模式；其余 4 個字節(jié)表示 32 位的頻率控制字。串行加載模式由 40 位的數(shù)據(jù)流構成。DDS 電路可以看成是一個由系統(tǒng)時鐘和 N 位頻率控制字決定的數(shù)字分頻器，相位累加器相當于模值可變的計數(shù)器。由頻率控制字決定該計數(shù)器的模值，在下一個時鐘脈沖開始相位累加器以新的相位增量進行累加。設置的相位增量越大，累加器循環(huán)一周就越快，從而輸出的頻率就越高。3.2.2 信號發(fā)生模塊電路 圖 3-2 是典型的 AD9851 信號發(fā)生電路，基于 AD98

43、51 芯片部的 DDS 電路，此電路能產(chǎn)生 0 HZ70kHZ 的低頻頻率的正弦，方波，三角波等信號，AD9851 芯片采用 5V 電壓供電，部含有精確地時鐘振蕩發(fā)生器。根據(jù)方案選擇部分的介可知被測網(wǎng)絡輸入端所需要加入的信號就是由下面的電路產(chǎn)生。. . . . 19 / 36圖 3-2 信號發(fā)生模塊電路圖凡是產(chǎn)生測試信號的儀器，統(tǒng)稱為信號源。也稱為信號發(fā)生器，它用于產(chǎn)生被測電路所需特定參數(shù)的電測試信號。在測試、研究或調整電子電路與設備時，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術條件的電信號，以模擬在實際工作中使用的待測設備的激勵信號。當要求進行系

44、統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測量時，需使用振幅、頻率已知的正弦信號源。當測試系統(tǒng)的瞬態(tài)特性時，又需使用前沿時間、脈沖寬度和重復周期已知的矩形脈沖源。并且要求信號源輸出信號的參數(shù)，如頻率、波形、輸出電壓或功率等，能在一定圍進行精確調整，有很好的穩(wěn)定性，有輸出指示。 信號源可以根據(jù)輸出波形的不同，劃分為正弦波信號發(fā)生器、矩形脈沖信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器和隨機信號發(fā)生器等四大類。正弦信號是使用最廣泛的測試信號。這是因為產(chǎn)生正弦信號的方法比較簡單，而且用正弦信號測量比較方便。正弦信號源又可以根據(jù)工作頻率圍的不同劃分為若干種。3.33.3ALCALC 寬帶放大器的設計與分析寬帶放大器的設計與分析 當 AD9851 信

45、號發(fā)生模塊產(chǎn)生特定的信號后，然后經(jīng)幅度放大電路放大，達到我們理想的幅值，在經(jīng)過自動電平控制電路以產(chǎn)生穩(wěn)定的幅值，幅度放大電路采用一個三極管將 AD9851 產(chǎn)生的信號幅值放大，自動電平控制電路采用負反饋的原理，部含有一個反相放大器，并添加一個負反饋通路達到電平穩(wěn)定的目的，此電路中含有多個二極管，能保護電路并實現(xiàn)幅值穩(wěn)定。. . . . 圖 3-3 ALC 寬帶放大電路3.3.4 4 電源電路模塊的設計與分電源電路模塊的設計與分如圖 3-4，此圖是整個掃頻儀的供電模塊電路，由于本設計采用芯片較多，并且同一芯片可能要使用不同電壓的電源，因此有必要將市電通過不同的降壓，升壓電路變換后供給各個芯片，由

46、于各芯片不僅會用到不同電壓的電源，并且各個電壓之間的差別較大，所以此電路采用了多級降壓，升壓的電路，來達到電壓可以實現(xiàn)并且穩(wěn)定的目的，此電路先將 12V 電壓降至 7V，然后再降至 5V，其部含有一保險電阻 R6，保護電路使其部不至于過流，電壓升壓部分直接將電壓由 12V 升至 30V。圖 3-4a，電源模塊電路 a. . . . 21 / 36圖 3-4b 電源模塊電路 b3.53.5 LCDLCD 顯示模塊電路顯示模塊電路3.5.1 LCD 芯片簡介LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡稱，LCD 的構造是在兩片平行的玻璃基板當中放置液晶盒，下基板玻璃上設

47、置 TFT（薄膜晶體管） ，上基板玻璃上設置彩色濾光片，通過 TFT 上的信號與電壓改變來控制液晶分子的轉動方向，從而達到控制每個像素點偏振光出射與否而達到顯示目的?，F(xiàn)在 LCD 已經(jīng)替代 CRT 成為主流，價格也已經(jīng)下降了很多，并已充分的普與。LCD 液晶投影機是液晶顯示技術和投影技術相結合的產(chǎn)物，它利用了液晶的電光效應，通過電路控制液晶單元的透射率與反射率，從而產(chǎn)生不同灰度層次與多達 1670 萬種色彩的靚麗圖像。LCD 投影機的主要成像器件是液晶板。LCD 投影機的體積取決于液晶板的大小，液晶板越小，投影機的體積也就越小。根據(jù)電光效應，液晶材料可分為活性液晶和非活性液晶兩類，其中活性液晶

48、具有較高的透光性和可控制性。液晶板使用的是活性液晶，人們可通過相關控制系統(tǒng)來控制液晶板的亮度和顏色。與液晶顯示器一樣，LCD 投影機采用的是扭曲向列型液晶。LCD 投影機的光源是專用大功率燈泡，發(fā)光能量遠遠高于利用熒光發(fā)光的 CRT 投影機，所以 LCD 投. . . . 影機的亮度和色彩飽和度都高于 CRT 投影機。LCD 投影機的像元是液晶板上的液晶單元，液晶板一旦選定，分辨率就基本確定了，所以 LCD 投影機調節(jié)分辨率的功能要比 CRT 投影機差。LCD 投影機按部液晶板的片數(shù)可分為單片式和三片式兩種，現(xiàn)代液晶投影機大都采用3 片式 LCD 板。三片式 LCD 投影機是用紅、綠、藍三塊液

49、晶板分別作為紅、綠、藍三色光的控制層。光源發(fā)射出來的白色光經(jīng)過鏡頭組后會聚到分色鏡組，紅色光首先被分離出來，投射到紅色液晶板上，液晶板“記錄”下的以透明度表示的圖像信息被投射生成了圖像中的紅色光信息。綠色光被投射到綠色液晶板上，形成圖像中的綠色光信息，同樣藍色光經(jīng)藍色液晶板后生成圖像中的藍色光信息，三種顏色的光在棱鏡中會聚，由投影鏡頭投射到投影幕上形成一幅全彩色圖像。三片式 LCD 投影機比單片式 LCD 投影機具有更高的圖像質量和更高的亮度。LCD 投影機體積較小、重量較輕，制造工藝較簡單，亮度和對比度較高，分辨率適中，現(xiàn)在 LCD 投影機占有的市場份額約占總體市場份額的 70%以上，是目前

50、市場上占有率最高、應用最廣泛的投影機。LCD 的工作原理：從液晶顯示器的結構來看，無論是筆記本電腦還是桌面系統(tǒng)，采用的 LCD 顯示屏都是由不同部分組成的分層結構。LCD 由兩塊玻璃板構成，厚約 1mm，其間由包含有液晶材料的 5m 均勻間隔隔開。因為液晶材料本身并不發(fā)光，所以在顯示屏兩邊都設有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板（或稱勻光板）和反光膜，背光板是由熒光物質組成的可以發(fā)射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源。背光板發(fā)出的光線在穿過第一層偏振過濾層之后進入包含成千上萬液晶液滴的液晶層。液晶層中的液滴都被包含在細小的單元格結構中，一個或多個單元格構成屏幕上的一個像素。在玻璃

51、板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交叉點上，通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態(tài)，液晶材料的作用類似于一個個小的光閥。在液晶材料周邊是控制電路部分和驅動電路部分。當 LCD 中的電極產(chǎn)生電場時，液晶分子就會產(chǎn)生扭曲，從而將穿越其中的光線進行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。液晶顯示技術也存在弱點和技術瓶頸，與 CRT 顯示器相比亮度、畫面均勻度、可視角度和反應時間上都存在明顯的差距。其中反應時間和可視角度均取決于液晶面板的質量，畫面均勻度和輔助光學模塊有很大關系。對于液晶顯示器來說，亮度往往和他的背板光源有關。背板光源越亮，整個液晶顯示器的亮度也會隨之

52、提高。而在早期的液晶顯示器中，因為只使用 2 個冷光源燈管，往往. . . . 23 / 36會造成亮度不均勻等現(xiàn)象，同時明亮度也不盡人意。一直到后來使用 4 個冷光源燈管產(chǎn)品的推出，才有很大的改善。信號反應時間也就是液晶顯示器的液晶單元響應延遲。實際上就是指的液晶單元從一種分子排列狀態(tài)轉變成另外一種分子排列狀態(tài)所需要的時間，響應時間愈小愈好，它反應了液晶顯示器各像素點對輸入信號反應的速度，即屏幕由暗轉亮或由亮轉暗的速度。響應時間越小則使用者在看運動畫面時不會出現(xiàn)尾影拖拽的感覺。有些廠商會通過將液晶體的導電離子濃度降低來實現(xiàn)信號的快速響應，但其色彩飽和度、亮度、對比度就會產(chǎn)生相應的降低，甚至產(chǎn)

53、生偏色的現(xiàn)象。這樣信號反應時間上去了，但卻犧牲了液晶顯示器的顯示效果。有些廠商采用的是在顯示電路中加入了一片 IC 圖像輸出控制芯片，專門對顯示信號進行處理的方法來實現(xiàn)的。IC 芯片可以根據(jù) VGA 輸出顯卡信號頻率，調整信號響應時間。由于沒有改變液晶體的物理性質，因此對其亮度、對比度、色彩飽和度都沒有影響，這種方法的制造成本也相對較高。由上便可看出，液晶面板的質量并不能完全代表液晶顯示器的品質，沒有出色的顯示電路配合，再好的面板也不能做出性能優(yōu)異的液晶顯示器。隨著 LCD 產(chǎn)品產(chǎn)量的增加、成本的下降，液晶顯示器會大量普與。3.5.2 LCD192X64 顯示電路本設計的根本目的就是要得到被測

54、網(wǎng)絡的幅頻特性曲線，并在 LCD 顯示器上面顯示出來，下圖是 LCD192X64 與單片機 ATmega128 的硬件連接電路圖，由于本設計最終輸出的是幅頻特性曲線，因此數(shù)碼管不適合本設計。LCD192X64 需要 5V 的電壓電源供電。. . . . 圖 3-5 LCD 顯示電路圖3.63.6，檢波電路，檢波電路3.6.1 檢波電路的基本介紹：從已調信號中檢出調制信號的過程稱為解調或檢波。用以完成這個任務的電路稱為檢波器。最簡單的檢波器僅需要一個二極管就可以完成，這種二極管就被稱做檢波二極管。目前，集成射頻檢波器現(xiàn)已得到了廣泛的應用，而且每當要求更高的靈敏度和穩(wěn)定性時，集成射頻檢波器有代替?zhèn)?/p>

55、統(tǒng)的二極管檢波器的趨向。從調幅波中恢復調制信號的電路，也可稱為幅度解調器。與調制器一樣，檢波器必須使用非線性元件，圖 3-7 預零交叉檢波器的設計因而通常含有二極管或非線性放大器. . . . 25 / 36(2) 包絡檢波器圖 3-8 是典型的包絡檢波電路。由中頻或高頻放大器來的標準圖 3-8 檢波器的電壓輸入輸出波形 調幅信號ua(t）加在L1C1 回路兩端。經(jīng)檢波后在負載RLC上產(chǎn)生隨ua(t）的包絡而變化的電壓u(t） ，其波形如圖 2 所示。這種檢波器的輸出u(t）與輸入信號ua(t）的峰值成正比，所以又稱峰值檢波器。包絡檢波器的工作原理可用圖 2 的波形來說明。在t1tt2 時間，

56、輸入信號瞬時值ua(t）大于輸出電壓u(t） ，二極管導通，電容C通過二極管正向電阻ri充電，u(t）增大；在t2tt3 時間，ua(t）小于u(t） ，二極管截止，C 通過RL 放電，因此u(t）下降；到t3 以后，二極管又重新導電，這一過程照此重復不已。只要RLC選擇恰當，就可在負載RLC上得到與輸入信號包絡成圖 3-9 同步檢波器波形對應關系的輸出電壓u(t） 。如果時間常數(shù)RLC太大，放電速度就會放慢，當輸入信號包絡下降時，u(t）可能始終大于ua(t） ，造成所謂對角切割失真（圖 2） 。此外，檢波器的輸出通常通過電容、電阻耦合電路加到下一級放大器，如圖 1 中虛線所示。如果Rg太小

57、，則檢波后的輸出電壓u(t）的底部即被切掉，產(chǎn)生所謂的底部切割失真。. . . . (2) 同步檢波器圖 3-10 再生式檢波器電路圖 3-10 為同步檢波器的框圖。模擬相乘器的一個輸入為一單頻調制的單邊帶調幅信號，即us(t)=Umcos(ct+mt)，其中c 為載波信號角頻率，m 為調制信號角頻率；另一輸入是本機產(chǎn)生的相干信號，即uc(t)=Uccos ct，則乘法器的輸出電壓u0(t)與uS(t)和uc(t)的乘積成正比，即u0(t)=Kus*(t)uc(t)式中K為一比例常數(shù)。U0(t)中包括兩項，一項為高頻項（2c+m） ，另一項為低頻項（m） 。通過低通濾波器后將高頻項濾除，即得到與調制波成對應關系的輸出。Uc(t) 通?？捎帽镜卣袷幤骰蜴i相環(huán)產(chǎn)生。同步檢波器的抗干擾性能比包絡檢波器優(yōu)越，但是它的電路比較復雜。隨著電子技術的進步，這種解調方法的應用日益廣泛。圖 3-11 雙通道對數(shù)檢波器3.6.2 檢波