簡易頻率特性測試儀論文

簡易頻率特性測試儀〔E題〕【本科組】2013年9月6日摘要本實驗以DDS芯片AD9854為信號發(fā)生器，以單片機STM32F103RBT6為核心控制芯片。系統(tǒng)由5個模塊組成：正弦掃頻信號模塊，待測阻容雙T網(wǎng)絡(luò)模塊，整形濾波模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊及顯示模塊。先以單片機送給AD9854控制字產(chǎn)生1MHZ—40MHZ的掃頻信號，經(jīng)過阻容雙T網(wǎng)絡(luò)檢測電路，兩路路信號通過AD9283對有效值進(jìn)展采集后進(jìn)入單片機進(jìn)展幅值轉(zhuǎn)換，最終由TFTLCD顯示輸出。ABSTRACTInthise*periment,theDDSchipAD9854asthesignalgenerator,MCUSTM32F103RBT6asthecorecontrolchip,andwithFPGAasau*iliary,andontheperipheralcircuittorealizethedetectionofamplitudefrequencyandphasefrequency.Thesystemprises6modules:signalsinesweepsignalmodule,themeasuredresistancecapacitanceofdoubleTmodule,filtermodule,A/Dconversionmoduleanddisplaymodule.Thefirstsingle-chipmicroputertoAD9854controlwordgeneratesweepsignalof10MHZ-40MHZ,theresistanceandcapacitanceofdoubleTdetectioncircuit,tworoadsignalsarecollectedontheeffectivevaluethroughtheAD9283intothemicrocontrollertoamplitudeconversion,theLCDdisplayoutput,finallytopletetheamplitudefrequencyandphasefrequencyofsimpletest.目錄1系統(tǒng)方案11.1AD9854模塊的論證與選擇11.2單片機控制系統(tǒng)模塊的論證與選擇11.3顯示模塊的論證與選擇21.3電源模塊的論證與選擇22系統(tǒng)理論分析與計算22.1系統(tǒng)原理的分析22.2濾波器的設(shè)計32.2.1濾波器電參數(shù)的計算32.2.2Multisim仿真電路32.3ADC設(shè)計42.3.1AD9283匹配電路設(shè)計42.3.2電路圖52.4被測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計52.4.1被測網(wǎng)絡(luò)的電參數(shù)選擇52.4.2Multisim仿真53電路與程序設(shè)計63.1電路的設(shè)計6系統(tǒng)總體框圖63.1.2正交掃頻信號子系統(tǒng)框圖與電路原理圖73.1.3單片機顯示系統(tǒng)模塊子系統(tǒng)框圖與電路原理圖8電源93.2程序的設(shè)計9程序功能描述與設(shè)計思路9程序流程圖104測試方案與測試結(jié)果114.1測試方案114.2測試條件與儀器124.3測試結(jié)果及分析13測試結(jié)果(數(shù)據(jù))13測試分析與結(jié)論13附錄1：電路原理圖14附錄2：源程序16簡易頻率測試儀〔E題〕【本科組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由AD9854模塊、單片機控制系統(tǒng)模塊、顯示模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1AD9854模塊的論證與選擇方案一：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。該方案頻率比擬穩(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。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)定度和高準(zhǔn)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)定度和準(zhǔn)確度的大量離散頻率，在一定程度上解決了既要頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確、又要頻率在較大*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，但采用了屢次積分電路，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。方案三：采用DDS芯片AD9854。根據(jù)題目要求，結(jié)合性價比，我們選用AD9854。AD9854是AD公司采用先進(jìn)的DDS技術(shù)生產(chǎn)的具有高級集成度的DDS器件，它的最高工作時鐘為300MHz，正常輸出工作頻率*圍為0～300ＭＨｚ，精度可達(dá)0.04Ｈｚ，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)定度較好，操作簡易，但抗干擾性有一定的缺乏。綜上論證比擬：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*圍廣，精度高，可控性強，功能擴展能力大。故采用方案三。1.2單片機控制系統(tǒng)模塊的論證與選擇方案一：8位內(nèi)核的51類MCU的資源往往是最大幾K-100K的flash。100-幾K字節(jié)的RAM，IO，串口，定時器，8位數(shù)據(jù)總線，AD等簡單的資源。目標(biāo)確定，單一。構(gòu)造簡單，指令簡單。易于理解和操作，這些特點也是51能深入人心的因素。但是，51類MCU處理速度慢，內(nèi)部資源少。方案二：STM32系列基于專為要求高性能、低本錢、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARMCorte*-M3內(nèi)核。按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型〞系列和STM32F101“根本型〞系列。增強型系列時鐘頻率到達(dá)72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；根本型時鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)品用戶的最正確選擇。兩個系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時鐘頻率72MHz時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5mA/MHz綜合以上兩種方案，選擇方案二。1.3顯示模塊的論證與選擇方案一：采用LCD1602液晶顯示。此液晶為工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16*02即32個字符。它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由假設(shè)干個5*7或者5*11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形〔用自定義CGRAM，顯示效果也不好〕。方案二：采用TFTLCD。TFTLCD彩屏集成各種字庫，容易操作，可以顯示數(shù)字、英文、漢字以及圖像。綜合考慮采用方案二。1.3電源模塊的論證與選擇方案一：采用干電池供電。干電池可以提供3V和4.5V或者6V電源，可以給各個模塊提供足夠的電壓。但是干電池續(xù)航能力缺乏，本錢計較大。方案二：采用適配器5V供電。通過AMS117芯片參加47uF的去耦電容產(chǎn)生3.3V電源供應(yīng)AD9854系統(tǒng)和STM32系統(tǒng)。綜合考慮采用采用適配器5V、3.3V供電模塊。2系統(tǒng)理論分析與計算2.1系統(tǒng)原理的分析正交解調(diào)原理：無論中頻信號的調(diào)制方式如何，都可以先使用正交解調(diào)，然后再依據(jù)調(diào)制方式處理恢復(fù)信號。正交解調(diào)也叫正交基帶變換，其目的是去掉調(diào)制信號中的載頻，將信號變到零中頻(基帶)。一個載頻為叫的實調(diào)制信號可以表示為：(t)=a(t)COS[叫t+0(t)]則其復(fù)信號解析式為：z(t)=口(t)cos[t+0(t)]+皿(￡)sin[t+0(t)]其中a(t)表示信號的瞬時包絡(luò)，(t)=叫t+0(t)表示信號的瞬時相位，而叫(t)=(t)／dt=叫+0(r)表示信號的瞬時角頻率。各種調(diào)制方式的信號調(diào)制信息都包含在這3個特征量中。經(jīng)正交解調(diào)后得到的零中頻信號(基帶信號)為：Z(t)=a(t)cos0(t)+ja(t)sin0(t)=Z(t)+(t)式中z(t)=a(t)cos0(t)Z(t)和Z肋(t)分別為基帶信號中的同相分量和正交分量，或稱I路分量和Q路分量。2.2濾波器的設(shè)計2.2.1濾波器電參數(shù)的計算采用有源濾波，二階有源低通濾波環(huán)節(jié)參數(shù)計算公式如下：。由要求，我們選取中心頻率為250KHz，參數(shù)選擇和電路圖1如下圖1二階有源低通濾波電路圖選C=1000pF，由fo=250KHz計算得R=637Ω。實際選取R=680Ω，實際中心頻率為234KHz，滿足要求。選取Rf=1.2KΩ，R1=1.5KΩ?？傻肁v=1.8滿足要求。增益為5.1dB。2.2.2Multisim仿真電路仿真主要指的是仿真硬件和仿真軟件。仿真硬件中最主要的是計算機。軟件的仿真能夠根據(jù)理論的電路來進(jìn)展建立連接，測試。這樣可以更好的發(fā)現(xiàn)電路中的一些問題，從而大大的減小了實際硬件電路的出錯概率，這樣可以更好的降低本錢。用Multisim仿真電路圖2如下：圖2濾波仿真圖結(jié)果如下列圖3：圖3濾波仿真圖結(jié)果圖2.3ADC設(shè)計2.3.1AD9283匹配電路設(shè)計AD9283的輸入阻抗匹配電路如圖4所示:ZS=50Ω,ZL=10kΩ,特性阻抗ZO=10kΩ.匹配網(wǎng)絡(luò)采用π網(wǎng)絡(luò)來設(shè)計,該網(wǎng)絡(luò)在完成阻抗匹配的同時通過低通濾波來去除一些噪聲干擾。2.3.2電路圖圖4AD9283匹配電路圖2.4被測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計被測網(wǎng)絡(luò)的電參數(shù)選擇被測網(wǎng)絡(luò)電路圖，電路計算公式。由題目要求得，中心頻率＝5kHz，帶寬±50Hz，計算得出，選取C=1000pF，可得R=31.8KΩ。另外，Q=50，所以K=0.995，選(1-KR1)=820Ω，則KR1=163KΩ。Multisim仿真用Multisim仿真電路圖如下列圖5：圖5被測網(wǎng)絡(luò)仿真圖仿真結(jié)果如下列圖6：圖6被測網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果圖根據(jù)仿真結(jié)果可知，此電路完全滿足設(shè)計要求。3電路與程序設(shè)計3.1電路的設(shè)計3.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖7所示：圖7系統(tǒng)總體框圖3.1.2正交掃頻信號子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1、AD9854子系統(tǒng)框圖圖8AD9854子系統(tǒng)框圖2、AD9854子系統(tǒng)電路圖圖9AD9854子系統(tǒng)電路電路圖3.1.3單片機顯示系統(tǒng)模塊子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1、STM32子系統(tǒng)框圖圖10STM32子系統(tǒng)框圖2、STM32子系統(tǒng)電路圖11STM32子系統(tǒng)電路3.1.4電源電源由變壓局部、濾波局部、穩(wěn)壓局部組成。為整個系統(tǒng)提供5V和3.3V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這局部電路比擬簡單，都采用三端穩(wěn)壓管實現(xiàn)，故不作詳述。3.2程序的設(shè)計3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件局部主要實現(xiàn)正交掃頻信號、AD轉(zhuǎn)換、按鍵和參數(shù)顯示。1〕正交掃頻信號：要求輸出1MHZ―40MHZ的正弦信號。2〕AD轉(zhuǎn)換：把輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。3〕按鍵：設(shè)置頻率增減和掃頻設(shè)置。4〕顯示局部：顯示電壓值、頻段、步進(jìn)值、信號類型、頻率。2、程序設(shè)計思路1〕①復(fù)位DDS，即Master保持10個以上系統(tǒng)時鐘周期的正脈沖；②寫控制存放器。設(shè)置工作模式、數(shù)據(jù)更新方式、鎖相環(huán)倍數(shù)、開啟和屏蔽應(yīng)的功能。③寫數(shù)據(jù)存放器。寫入掃頻的起始頻率和終止頻率，設(shè)置掃頻步進(jìn)和掃頻斜率。④數(shù)據(jù)設(shè)置完成以后，在數(shù)據(jù)更新管腳產(chǎn)生正脈沖，芯片開場掃頻，并不斷以終頻-初頻-終頻的方式循環(huán)。2〕采用8路A/D轉(zhuǎn)換3〕設(shè)置一個按鍵用來控制增加和減少輸出信號的頻率，一個按鍵用來控制掃頻設(shè)置。4〕采用STM32單片機來控制彩屏顯示電壓值、頻段3.2.2程序流程圖圖12主程序流程圖圖13AD9854信號源子程序流程圖圖14A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖圖15STM32顯示子程序流程圖4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案1、硬件測試如下列圖16所示：圖16硬件調(diào)試實物圖2.實驗系統(tǒng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)以下幾點問題：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。在用示波器探針線會有損壞而導(dǎo)致測量不出數(shù)據(jù)。電源模塊正、負(fù)電源管腳處接47uF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。在每個獨立電源的正、負(fù)處都要接一大一小的濾波電容。5)在接線時，盡量防止輸入與輸出線距離過近，否則會對測量有一定影響。3、軟件仿真測試軟件仿真圖如下列圖17所示：圖17放大器軟件仿真圖仿真結(jié)果如下列圖所示：圖18放大器軟件仿真結(jié)果圖4.2測試條件與儀器測試條件：檢查屢次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全一樣，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精