數字式頻率特性測試儀的設計

摘要：介紹了用函數發(fā)生器ILC8038構成壓控振蕩器、用D/A轉換器提供壓控振蕩器的控制電壓的頻率特性測試儀。它以單片機為控制核心，實(shí)現了掃頻頻率的步進(jìn)調整、頻率數顯、被測網(wǎng)絡(luò )幅頻特性與相頻特性的數顯及頻率特性曲線(xiàn)的打印。

關(guān)鍵詞：電子測量 幅頻特性 相頻特性 壓控振蕩器 單片機

模擬式掃頻儀價(jià)格昂貴，不能直接得到相頻特性，更不能打印網(wǎng)絡(luò )的頻率響應曲線(xiàn)，給使用帶來(lái)諸多不便。為此，我們研究和設計了低頻段數字式頻率特性測試儀。該測試儀用壓控振蕩器產(chǎn)生掃頻信號，以單片機為控制核心，通過(guò)A/D、D/A等接口電路，實(shí)現掃頻信號頻率的步進(jìn)調整、數字顯示及被測網(wǎng)絡(luò )幅頻特性與相頻特性的數顯等?？偪驁D如圖1所示。該系統成本低廉，掃頻范圍較寬（10Hz~1MHz），并可方便地與打印機連接以實(shí)現頻率特性曲線(xiàn)的打印。

1 掃頻信號源的設計

在頻率特性測試儀的設計中，掃頻信號源的質(zhì)量具有重要的意義。無(wú)論是模擬式掃頻儀，還是數字掃頻儀，都要求掃頻信號源具有線(xiàn)性壓控的特性，且掃頻波的輸出幅度應是恒定的，不因頻率或被測網(wǎng)絡(luò )的改變而改變。為此，我們選用低線(xiàn)性誤差的函數發(fā)生器ICL8038[1]構成控振蕩器，如圖2所示。用D/A轉換器提供控制電壓D/A轉換器的輸入數字量由單片機給出，如圖3所示，可實(shí)現數字量的手動(dòng)和自動(dòng)調整。為了提高信號源的負載能力，我們將壓控振蕩器的輸出信號送入一寬頻帶功率放大器，從而增大其驅動(dòng)能力。關(guān)于寬帶功放電路已有很多優(yōu)秀的器件或電路可供選用，此處不再贅述。

振蕩器的振蕩頻率由圖2中的定時(shí)元件R、C及控制電壓決定。當R和C一定時(shí)，改變ICL8038的8腳電壓可改變振蕩器的振蕩頻率。實(shí)驗表明，僅靠改變壓控電壓來(lái)改變掃頻波的頻率是不能滿(mǎn)足測量要求的（頻率范圍太窄）。為了擴展頻率范圍，我們采用了分檔切換電容的辦法。電容C通過(guò)一電子開(kāi)關(guān)接入，單片機根據掃頻皮的頻率值自動(dòng)給出相應的開(kāi)關(guān)量（三位），從而選擇所接入的電容值，可使掃頻頻率范圍擴展到10Hz~1MHz。

2 幅頻特性與相頻特性的測量與打印

掃頻波頻率的測量與顯示由單片機完成。寬帶功能輸出的正弦信號，經(jīng)整形所送單片機供其測量并顯示頻率。用單片機完成這一任務(wù)已有較成熟的方法。值得注意的是測頻的時(shí)間時(shí)隔不是固定的：數顯時(shí)，時(shí)間間隔應較長(cháng)（我們定為1s)，因顯示時(shí)必須延時(shí)一段時(shí)間才能便于觀(guān)察；打印時(shí)，時(shí)間間隔較?。ㄎ覀兌?ms），便于在較短時(shí)間內打印全頻段數據。測頻前信號的整形電路選用寬頻帶正弦波一矩形波變換電路[2],如圖4所示。場(chǎng)效應管源極跟隨器的接入是為了消除變換電路對信號源的影響。

在幅頻特性的測量中，被測網(wǎng)絡(luò )的輸入信號幅度是已知的，這在調整功放電路時(shí)調定。只要測出被測網(wǎng)絡(luò )輸出信號的幅度，即可算得其增益（dB數），被測網(wǎng)絡(luò )輸出信號的幅度的測量由檢波器、A/D轉換器及單片機共同完成。增益的計算和顯示亦由單片機完成。

相頻特性的測量與顯示原理如下：被測網(wǎng)絡(luò )的輸入與輸出信號先經(jīng)整形電路變換為矩形波，再送入圖5所示測相邏輯電路中，圖中μi和μo分別為被測網(wǎng)絡(luò )的輸入與輸出信號。電路中有關(guān)波形如圖6所示。設異或門(mén)輸出脈沖寬度為△T，信號周期為T(mén)，則輸入與輸出信號的相位差由下式求得：

Δφ=(ΔT/T)×360°

上式中的符號由A點(diǎn)電平?jīng)Q定，若A點(diǎn)為低電平，則μ。超前μi，在△φ前加“+”號；若A點(diǎn)為高電平，則μ0,滯后μi，在△φ前加“-”號。T與T的測量及（1）式的計算與符號的確定均由單片機自動(dòng)完成。

上述幅頻與相頻特性的測量對頻率而言是離散的。某一時(shí)刻只能看到某一頻率下的增益或相移。為了獲得連續的頻率特性曲線(xiàn)，我們將全段內各頻率下的增益或相移存放在單片機的外部RAM中，將單片機與打印機相連，將存放在外部RAM中的數據逐個(gè)送打印機打印，取得較好的效果。單片機與打印機的接口電路如圖7所示。DB0DB7為單片數據傳輸線(xiàn)，單片機通過(guò)此傳輸線(xiàn)將待打印的數據送給打印機。STB為數據選通信號，此信號上升沿時(shí)，數據線(xiàn)上8位數據被打印機讀入機內鎖存并打印。BUSY為打印機的“忙”信號輸出線(xiàn)，輸出高電平表示打印機處于“忙”狀態(tài)，此時(shí)，單片機不得向打印機送入新的數據字節。當BUSY為低電平時(shí)，單片機將存在外部RAM中的數據送給打印機。編制相應程序時(shí)，只要設置好打印機的控制字，并將增益或相移值作適當量化即可。

3 軟件流程與系統調試要點(diǎn)

單片機最小系統構成如下：?jiǎn)纹瑱C選用80C32，鍵盤(pán)顯示接口芯片選用8279，存儲器選用EPROM 1片（2K）和RAM 1片（64K)。地址沖突問(wèn)題由片選信號解決。A/D轉換大選用0809，選用14位DAC一片，可提高分辨率。

軟件流程圖如圖8所示。

鍵盤(pán)分為數字鍵和功能鍵兩種，數字鍵用來(lái)輸入掃頻頻率起始及終止值等；而功能鍵則用于幅頻特性、相頻特性的測量及打印等功能。

程序編制與電路調試中有幾個(gè)值得注意的問(wèn)題。第一是切換定時(shí)電容后頻率的重迭。解決的辦法是通過(guò)對掃頻頻率的判斷，給出D/A所需的數字量，使掃頻頻率單值上升。各電容的值通過(guò)實(shí)驗調定。第二是步長(cháng)問(wèn)題，在數顯功能下，步長(cháng)不能太上，否則，觀(guān)察一段頻率范圍的頻響耗時(shí)巨大。針對這一問(wèn)題，我們通過(guò)改變步長(cháng)的辦法來(lái)解決，在低頻段取較小步長(cháng)， 而高頻段取較大步長(cháng)。在打印功能下，由于不需要延時(shí)，故可在全頻范圍取較小步長(cháng)（10Hz），每步所需時(shí)間僅為單片機執行指令及電路響應的時(shí)間，能較快地打印全頻段的頻率特性曲線(xiàn)。這時(shí)，頻率軸為線(xiàn)性分度，便于定量分析。第三個(gè)問(wèn)題是增益與相移的滿(mǎn)量程問(wèn)題。增益的量程我們這為+40dB或等40dB，較大增益的網(wǎng)絡(luò )通過(guò)衰減網(wǎng)絡(luò )接入，增益小于-40dB時(shí)被量化為-40dB。相移的滿(mǎn)量程為+180度或-180度。實(shí)驗表明，我們設計的系統穩定可靠，打印的幅頻特性曲線(xiàn)與傳統的模擬掃頻儀所測曲線(xiàn)相符，相頻特性曲線(xiàn)與理論一致。