第１５卷第２期 四川轻化工学院学报 Ｖｏ１．１５ ＮＯ．２ ＪＯＵＫＮＡＬ ＯＦ ＳＩＣＨＩ ＡＮ ＩＮＳＴＩＴｕＴＥ ＯＦ ２００２年６月ＬＩＧＨＴ ＩＮＤｕＳＴＲＹ ＡＮＤ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｔｕｎ，２００２ ■■■■■■●■●■■●■■■■■■■●■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■●■■■０＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿－－＿＿・Ｉ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．———————————————————————— 文章编号：１００８—４３８Ｘ（２００２）０２—００４８—０５ 数字式频率特性测试仪设计 孙静，周 志 （四川轻４￣．ｘ－学院电子与信息工程系，四川自贡６４３０３３） 摘 要：介绍了以单片机ＡＴ８９Ｃ５１与ＤＤＳ频率合成器ＡＤ７００８构成的频率特性测试仪。它 与ＰＣ机通过１ｋＳ一２３２Ｃ口连接，完成被测网络的频率特性的测试及图形的显示、保存与打印、 关键词：直接数字频率合成（ＤＤＳ）；电子测量；幅频特性；相频特性；单片机 中图分类号：ＴＭ９３ 文献标识码：Ａ 引 言 扫频仪也称频率特性测试仪，用于测试被测网络的幅频特性。它可以测量被测网络的谐振频 率、带宽、带外衰减、增益等，是电子领域的常用设备之一。模拟式扫频仪价格较贵，且不能直 接得到相频特性，更不能保存频率特性图和打印频率特性图，给使用者带来了诸多不便，为此我 们设计了此数字式频率特性测试仪。 总体设计 该测试仪以单片机ＡＴ８９Ｃ５ １控制ＤＤＳ频率合成器ＡＤ７００８产生扫频信号。通过Ａ／Ｄ等接口 电路实现被测网络幅频特性和相频特性的测量，然后通过ＲＳ一２３２Ｃ串行接口送至Ｐｃ机进行频率 特性图的显示、保存和打印等。总框图如图１所示。 ＡＤＴ００８ 。卜 ——— 被测网络卜＿＿ —ｌ－｛峰值检波 上 ｆ啵 １－ｒ 整形电路位 卜＿＿＿－－１相移测量卜Ｉ＿＿－＿｛整形电路 机 ．卜＿ １工ｒ 嚣 二 二 、 ｌ二： Ｉ 图１ 数字频率特性测试仪总框图 １ 扫频信号源的设计 在频率特性测试仪的设计中，扫频信号源的质量非常重要。在本设计中，我们采用了ＤＤＳ 收稿日期：２００１—１１－０５ 作者简介：孙静（１９６６一），女，四川阆中人，实验师，主要从事数字电路及电子测量技术研究 第１５卷第２期 孙静等：数字式频率特性测试仪设计 ４９ 技术来产生扫频信号。ＤＤＳ技术是一种把一系列数字量形式的信号通过ＤＡＣ转换成模拟量形式 信号的合成技术。目前使用最广泛的一种ＤＤＳ方式是利用高速存储器作查寻表，然后通过高速 ＤＡＣ产生已经用数字形式存人的正弦波。它主要由参考频率源、相位累加器、正弦波采样ＲＯＭ、 数模转换器及低通滤波器构成。对于参考频率源频率为计数容量为２Ⅳ的相位累加器和具 ． 有Ｍ个相位取样的正弦波波形存储器，若频率控制字为Ｋ，则ＤＤＳ系统输出信号的频率为 ｖ ｂ， ｆ ， ｆｏ．，＝Ｊｃｌｋ Ⅳ，而频率分辨率为 ＝ Ⅳ。Ｎｙｑｕｓｔ准则，最高输出频率可达ｏ．５厶。但 ，厶 ，厶 考虑到实际低通滤波器性能的，实际最高输出频率一般取为 ．的４０％。 我们选用的是ＡＤ７００８集成电路…。ＡＤ７００８是ＡＤＩ公司采用先进的直接数字合成（ＤＤＳ）技 术推出的高集成度ＤＤＳ频率合成器。ＡＤ７００８的功能框图如图２所示，它内部包括可编程ＤＤＳ 系统，高性能１Ｏ位ＤＡＣ及控制电路等，与微机的串行或并行接口，能实现全数字编程控制的 频率合成。如果接上精密时钟源，ＡＤ７００８可产生频率和相位都可编程控制的正弦波输出，当时 钟源为２０ＭＨ 时，输出频率分辨率可达０．００４７Ｈ ，最大输出频率可达５ＭＨ 。ＡＤ７００８接口控制 简单，可以通过８位或１６位并行口或串行口直接输人频率、相位等控制数据。器件采用ＣＭＯＳ 低功耗工艺，不需要信号输出时可通过硬件或软件设置为低功耗方式。其最大输出电压、电流 分别为１Ｖ、２０ｍＡ，采用单一正５Ｖ电源及４４脚ＰＬＣＣ封装形式。 Ｖｃｃ ＧＮＤ 频率 ＱＭＯＤ［１０．１９１ ｌ Ｉ满刻度调整 ＣＯＭ 寄存器 弦，余弦 ＦＲＥＱ０ ：找袁 ｌ０住 ＩｏＵＴ ］［ ｏＭ ＤＡＣ 频率 ＩｏＵＴ 寄存器Ｉ 位 加 位寄存器卜—————呻ＱＭＯＤ［０－９】 ＳＣＬＫ ２－ＢＩＴ串行寄存器 二二二口二 ｒ————————］ ＳＤＡＴ ２－ＢＩＴ并行寄存器 二二二口二 全童堡堂Ｊ ＭＰＵ接口电路 青移逻辑电路 ＤＯ…Ｄ１ Ｗ ＣＳ ＴＣ０…ＴＣ ＬｏＡ ＴＥＳＴ ＲＥＳＥＴ ＳＬＥＥＰ 图２ ＡＤ７００８功能框图 图３是ＡＤ７００８和单片机ＡＴ８９Ｃ５１ 接口的实现电路，该接口采用并行８位接口方式。通 过ＤＯ—Ｄ７数据总线在ＷＲ、ＣＳ的控制下，将数据控制字首先写入ＡＤ７００８的并行寄存器，然后 在Ｌｏａｄ和ＴＣ０一ＴＣ３的控制下将并行寄存器数据转载到功能寄存器。由ＤＡＣ输出的电流信号（Ｉ。 ） 经过一个电阻转换成电压信号后，再通过由运放组成的跟随器和低通滤波器，即得频率可控制 的正弦波信号。本设计采用的时钟为２０ＭＨ ，字长为３２位，则有最小输出频率（即频率分辨率） 为：几＝ ｃ ３２＝２ｏ×ｌｏ ３２ ０．００４７ Ｈｚ 四川轻化工学院学报 ２００２年６月 当取输出最高频率约为时钟频率的ｌ／４，则有最大输出频率为： ＝ ＝２０×ｌｏ ＝５ ＤＯ～ｄ７ ＜＝＝ ＤＯ～Ｄ７ ＦＳ＾ＤＪＩＪｓ — 二二二 ＿１ Ｐ２．Ｏ—Ｐ２．２ ＴＣＯ．ＴＣ １．ＴＣ３ ＶＲＥ Ｉ ｌ 一 ＾ ］ＴＣ２ －ｑ ＪＩ ５Ｖ ＡＴ８９Ｃ５ｌ ＣＯＭＰ Ｐ２．３ ＤＯ～Ｄｌ５ 上上 Ｉ Ｐ２．４ ＩＯＵＴ Ｐ２ ５ ＣＳＷＲ ＡＩ ）７００８ ＩＯＵＴ ］ ．Ｔ ２０ＭＨｚ ＩＩｌ ＳＣＬＫ ＬＯＡＤ 图３ ＡＤ７００８和单片机ＡＴ８９Ｃ５１接口 ＭＨ 设Ｋ为ＤＤｓ的频率控制字，由： ，＝ × ｃ ３２：Ｋｘ２０×１０ ３２ 碍ＤＤｓ的频率控制字： Ｋ＝ ，×２ ｏ×ｌ０ （ ） Ｐｃ机根据需要的输出信号的频率，由（１）式算出输出频率控制字Ｋ值取整后，通过ＲＳ一２３２Ｃ １５１送至ＡＴ８９Ｃ５１，由ＡＴ８９Ｃ５ｌ通过并行８位口送人ＡＤ７００８的ＦＲＥＱ０或ＦＲＥＱ１中，输出需要 的输出信号（由于只改变了ＤＤＳ的频率控制字，因此输出信号幅值不变）。随着频率控制字Ｋ值 的变化，从而产生扫频信号。 ２ 幅值与相位差的测量 由于被测网络的输入信号的幅值不变，因此只需要测量被测网络的输出信号的幅值 输出 信号的幅值测量由峰值检波器、Ａ／Ｄ转换器ＡＤＣ０８０９ 及单片机ＡＴ８９Ｃ５ １共同完成 首先将被 测网络的输出信号的峰值提取出来，输入后级的Ａ／Ｄ转换电路转换为数字信号后，再由单片机 ＡＴ８９Ｃ５ｌ处理。峰值检波器的原理如图４所示，它为一有源峰值检波器，其中三极管的基极由 图４ 幅值测量电路 ＡＴ８９Ｃ５ｌ的Ｐ１．７控制，产生１０ｕｓ的高电平使电容放电，以减 少前一频率测量对后一频率测量的影响，提高幅值测量精度。 相位差的测量原理如图５所示。被测网络的输入输出信 号经整形电路变换为矩形波，再送人图５所示的相位差测量电 图５ 相位差测量电路 路中。电路中的有关波形示意图如图６所示，由此图我们可以 第１５巷第２期 孙静等：数字式频率特性测试仪设计 ５ｌ 知道图５相位差的测量范围为一ｌ ８Ｏ。到＋ｌ８Ｏ。。图６中ｕ 、 ｕ 分别为被测网络的输入输出信号经整形电路变换而得到 的矩形波，Ｄ触发器输出ｕ 送单片机Ｐ１．６作为超前、滞后 的判断依据，若点 。为高电平，则在 与 。的相位差△ ．． 前加“＋”号，反之，Ａ０前加“一”号：由于被测信号的 频率范围较宽，Ａ０需要分段测量。 （１）Ｕ 送单片机ＴＯ端（Ｐ３．４引脚），进行低频段△ 的测量。当单片机的定时／计数器工作于模式１，ＧＡＴＥ０为１， ＴＲ０为１时，只有，Ⅳ７１Ｏ（Ｐ３．２引脚）输入高电平时，ＴＯ才 允许计数，这样可测得Ｐ３．４引脚上正脉冲的宽度（即机器 ｕｈ 周期数Ⅳ） 设异或门输出Ｕ 的脉宽为△７１，ＡＯ为Ｕ 与 Ｕ 的以度为单位的相位差，Ｔ为Ｕ 的周期，若单片机的晶 振频率 为６ＭＨ ，则有： △７１： Ｕ ／ ／ ５０００００ ／１２ 一： ｌ８０。 ０ ｌ８０。 ＡＯ：３６０×△ ：— ／』 ｌ３８９×Ｔ ｆ２） 、图６ 测相电路波形 该模式下，单片机能测量的频率范围是多大呢？当两信号的相位差越接近±１８Ｏ。，异或门输 出Ｕ 的脉宽△７１越接近７１，而单片机的定时／计数器工作于模式１时，为１６位定时／计数器，因 此最大计数值 一为２ ，即测量的最大△７１的计数值应不大于Ⅳ一；同时一个周期７１对应 ３６０。，为了使测量的△ 的分辨率不大于ｌ。，因此测量最小的△ 的计数值Ⅳ ｉ 应不小于３６０。 于是最低测量频率、最高测量频率分别为： ｆ、／ ｛、， ＝ ＝丁５０００００￣１５（ ； ￣ｌ３８９（ 因此我们取 差较小时 ＝１５Ｈｚ，厂眦＝１０００Ｈｚ（当然，这是在相位差接近±１８０。的取值，当相位 可以取得更大）。 可以取得更小， （２）当被测频率厂高于１０００Ｈｚ小于５ＭＨｚ时，Ｕ６经两级Ｒｃ网络滤波后得Ｕ ，Ｕｃ再通过 ＡＤＣ０８０９转换为数字量由单片机处理来测量 两级ＲＣ网络的Ｒ和Ｃ分别取５ｌ 和０．２２ｇＦ， 它的稳态建立时间小于Ｏ．４秒。因为Ｕ，的大小只与脉冲信号Ｕ 的占空比有关，而Ｕ 在Ａ０为Ｏ。 时为最小值Ｏｖ，在ＡＯ为±１ ８Ｏ。时为最大值５Ｖ，于是Ｕ 与Ｕ。的相位差为： △ ：ｌ ｕ× ：３６￣ （３） 单片机根据不同的输入频率．厂，选择不同的测量方式，将测量的Ⅳ或 通过ＲＳ－２３２Ｃ送Ｐｃ 机，Ｐｃ机由（２）式或（３）式计算出Ｕ 与Ｕ。的以度为单位的相位差ＡＯ。为了提高了测量精度， 减少测量误差，可以多测量几个Ⅳ和Ｕ 取平均值计算△ 。 ５２ 四川轻化工学院学报 ２００２年６月 ３ 频率特性图的绘制、显示等 该频率特性测试仪实际上 采用的是点频法。下位机主程 序流程如图７所示。ＰＣ机上运 行的是用ｄｅｌｐｈｉ５．０编制的一个 ＰＣ机通过串行口ＲＳ一２３２Ｃ与单 片机ＡＴ８９Ｃ５１通讯及频率特性 图的绘制软件，它具有显示、 保存、打印、放大、缩小、以 及设置被测网络的测试信号的 频率范围等功能。 ４ 结束语 该系统体积较小。由于我 们选用的单片机是ＡＴ８９Ｃ５１， 且单片机系统的程序较短，所 以无需扩展ＥＰＲＯＭ和ＲＡＭ。 另外，由于我们使用了ＤＤＳ集 成电路ＡＤ７００８来产生扫频信 号，所以扫频信号的质量高， 扫频范围较宽；它在２０ＭＨ 的 时钟下，其步进为０．００４７Ｈ ， 可以精确的测出被测网络的频 率特性。但是，因为该系统使 用的是点频法测量网络的频率 图７下位机主程序流程 特性，系统测绘时间略长。若 要提高系统的扫频范围，可提高ＡＤ７００８的时钟频率，或者用输出频率更高的ＤＤＳ器件如ＡＤ９８０５ 等。 实验表明，该系统稳定可靠，绘制的频率特性图与理论一致。软件的操作使用和图形数据 的处理非常方便，整个仪器的使用非常简单，是模拟式扫频仪无法相比的。 参考文献： 【１】ＷＷＷ．ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓ．ｃｏｒｎ，Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．１９９５． 【２】 陆坤．电子设计技术【Ｍ】．成都：电子科技大学出版社，１９９８． 『３１ 李华．ＭＣＳ一５１系列单片机实用接口技术【Ｍ】．北京：北京航空航天大学出版社，１９９３． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｌｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＳＵＮ Ｊｉｎｇ，ＺＨＯＵ Ｚｈｉ （Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐｔ．，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ｉｎｄ．＆Ｃｈｅｍ．Ｔｅｃｈ．，Ｚｉｇｏｎｇ ６４３０３３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ＡＴ８９Ｃ５ １ ａｎｄ ＤＤＳ ＡＤ７００８．Ｉｔ ｃｏｎｎｅｃｔｓ ＰＣ ｗｉｔｈ ＲＳ一２３２Ｃ，ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｑｕｉｚｚｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅ ｂｏａｄ ｄｒａｗｉｎｇ Ｃａｎ ｂｅ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ，ｐｒｉｎｔｅｄ ａｎｄ ｓａｖｅｄ． ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＤＤＳ：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ａｍｐｌｉｔｕｄｅ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｐｈａｓｅ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ
