基于單片機控制的頻率特征測試儀設計

一個(gè)系統的頻率特征可通過(guò)頻率特征測試儀來(lái)測定。頻率特性測試儀也稱(chēng)掃頻儀，用于測試被測網(wǎng)絡(luò )的幅頻特性。他可以測量被測網(wǎng)絡(luò )的諧振頻率、帶寬、帶外衰減、增益等，是電子領(lǐng)域的常用設備之一。模擬式掃頻儀價(jià)格較貴，且不能直接得到相頻特性，更不能保存頻率特性圖和打印頻率特性圖，給使用者帶來(lái)了諸多不便，為此沒(méi)計了此數字式頻率特性測試儀。

2 總體設計

　　單片機控制信號源產(chǎn)生標準正弦波，輸入到被測網(wǎng)絡(luò )；被測網(wǎng)絡(luò )的輸出分別輸入幅度檢測電路和相位檢測電路，得到峰值和相位差值送入單片機進(jìn)行處理；單片機處理后的結果一方面提供給LED實(shí)時(shí)顯示，另一方面存人存儲器，供示波器顯示幅頻、相頻曲線(xiàn)?？偪蛘迦鐖D2所示。

2.1 掃頻信號源的設計

　　掃頻信號發(fā)生器是頻率特性測試儀的核心，他提供被測網(wǎng)絡(luò )輸入所需的頻率隨時(shí)間在一定范圍內周期變化的正弦信號。掃頻信號產(chǎn)生的方法有鎖相環(huán)(PLL)及可預置分頻器、單片集成波形發(fā)生器、專(zhuān)用頻率合成器件及直接數字頻率合成(DDS)電路等。本系統采用單片機控制，利用EDA技術(shù)，選用系統可編程邏輯器件ispCPLD芯片，構成直接數字頻率合成器(DDS)來(lái)產(chǎn)生掃描正弦波。

　　直接數字頻率合成(Direct Digital Frequency Synthe-sis，DDS)是一種純數字化方法。因為DDS具有超高速的頻率轉換時(shí)間，極高的頻率分辨率和較低的相位噪聲，在頻率改變與調頻時(shí)，DDS器件能夠保持相位的連續，因此很容易實(shí)現頻率、相位和幅度調制，此外DDS還具有可編程控制的突出優(yōu)點(diǎn)。DDS主要由相位累加器、正弦ROM表和數模轉換器等組成，其核心是相位累加器，他由一個(gè)N位字長(cháng)的二進(jìn)制加法器和一個(gè)有時(shí)鐘fclk取樣的N位寄存器組成，作用是對頻率控制字進(jìn)行線(xiàn)性累加。當相位增量為1，累加器的字寬為32位時(shí)，輸出地址對應于波形的相位分辨率為l／232。正弦ROM表中存儲著(zhù)一張正弦函數查詢(xún)表，對應不同的瞬時(shí)相位碼輸出不同的幅度編碼。工作時(shí)往DDS中寫(xiě)入控制字到相位累加器并轉化成瞬時(shí)相位，在外部參考時(shí)鐘的作用下，每個(gè)時(shí)鐘周期相位累加器累加相位步進(jìn)一次，對應的幅度編碼輸出給數模轉換器(D／A)，把數字量轉化為模擬量，再通過(guò)低通濾波器平滑后得到最后需要的信號。并且該模擬正弦波與一門(mén)限電壓進(jìn)行比較可得到同頻率的方波時(shí)鐘信號，他將所需正弦波一個(gè)周期的離散樣點(diǎn)的幅值數字量存入ROM中，然后按一定的地址間隔(相位增量)讀出，并經(jīng)D／A轉換器形成模擬正弦信號，再經(jīng)低通濾波器得到質(zhì)量較好的正弦信號。

　　信號發(fā)生器輸出波形的頻率f0定義為：

　　其中fc為晶振頻率，k為分頻比，N為相位累加器位數，M為相位累加器的增量(步長(cháng))。

　　本設計中取fc=32.768 MHz，k=50，N=16，代入上式可得：

　　這樣只要控制M的值就可以準確地實(shí)現頻率步進(jìn)10Hz的要求。這里時(shí)鐘頻率為：

　　式中，△phase為頻率控制字，sysclk為系統時(shí)鐘，clkin為DDS的輸入參考時(shí)鐘頻率，N為頻率寄存器的位數，M為相位偏移寄存器的位數。頻率控制字△phase決定著(zhù)輸出信號的頻率值；最小頻率分辨率由頻率寄存器的位數N決定，N越大，頻率分辨率越高；相位分辨率由相位偏移寄存器的位數決定，幅度分辨率由D／A轉換器的精度決定。