低頻掃頻儀的設計與制作

　綜合運用了單片微型計算機、模擬電路、數字電路、液晶顯示以及匯編語言等技術，系統解決了電子科研實驗室缺乏頻率在1MHz以下的掃頻儀器的問題。
???? 關鍵詞：單片機，頻率合成，A／D轉換，液晶顯示，掃頻
　　
1引言
　　當今世界，電子科技飛速發展，數字化、網絡化、信息化，影響著人們的衣、食、住、行。但現有電子科研實驗室缺少頻率在1MHz以下的掃頻儀器，嚴重阻礙了科研人員的創作速度。語音信號要進行數字處理時，首先必須經過采樣、量化、編碼，由Nyquist采樣定理可知，若要無失真地重建原始信號，采樣頻率必須大于或等于原始信號最高頻率的兩倍（Ws≥2Wh），否則采樣信號的頻譜將會發生混疊，此時，無法恢復原始信號，顯然原始信號的頻率Wh越低，采樣頻率Ws也越低，數碼率也就越低，并可大大減少存儲空間和信息傳輸速率，于是，可以在采樣之前使原始信號通過一個低通濾波器，只允許低于Ws／2的頻率分量通過，而將更高的頻率分量濾除。由語音信號的標準可知，在采樣前可通過帶通濾波將語音信號的頻帶限制在300Hz～3400Hz范圍內。無疑，在以上這一系列語音信號處理過程中，缺少不了1MHz以下的掃頻儀器，特別是進行300Hz～3400Hz帶通濾波器的設計與生產時，在調整與測試過程中必須使用低頻掃頻儀進行數據檢驗。
2方案的設計與論證
?? 根據上述要求，我們可有以下三種設計方案：
?? （1）借助實驗室的低頻信號發生器與示波器，
用人工的方法進行定點描測，即由低頻信號發生器產生一個一個的頻率點輸送到被測電路，其輸出接到示波器，觀測它的各個頻率點的衰減幅度，并記錄下來進行數據分析。
　 （2）以單片機為核心，外圍頻率合成器、整流濾波、A／D轉換、液晶顯示、鍵盤控制等部分進行智能全自動化綜合系統設計，工作原理后文詳述，其系統框圖如圖1所示。 ??。?）以DSP芯片為核心，對外圍寬帶信號發生器、寬帶信號接收器、液晶顯示屏、控制面板等部分進行智能系統設計，其基本工作原理是：由信號發生單元產生一個從20Hz～2MHz的寬帶信號輸送到被測電路，其輸出接到信號接收單元，再由DSP芯片進行頻譜分析，掃頻結果由液晶顯示直觀地顯示出來，鍵盤采用輕觸開關控制掃頻范圍、輸出／輸入信號衰減dB值等設置，其系統框圖如圖2所示。
　　顯而易見，方案1是一種傳統的人工方案，測試麻煩，速度慢，工作效率低，不符合現代電子設計標準；方案2、3均是全自動化儀設計方案，方案3比方案2的測試性能、精度指標要好，但方案2的成本低廉，易于生產，因此我們選擇方案2。
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3掃頻儀的工作原理
　　在電子測量中，經常遇到對網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。它為被測網絡的調整，校準及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生器、掃頻信號發生器、寬帶放大器、頻標信號發生器、X軸放大、Y軸放大、顯示設備、面板鍵盤以及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生器，就形成了鋸齒波，這個鋸齒波一方面控制掃頻信號發生器，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。掃頻信號發生器產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。
4硬件設計
4．1硬件組成
　　本系統的硬件部分由CPU（89C51）、頻率合成器（MC145151－1）、整流濾波、A／D轉換（ADC0 809）、液晶顯示、輕觸鍵盤等單元組成，系統方框圖如圖1所示。鍵盤控制掃頻范圍，由單片機輸送14位數據至MC145151－1控制壓控振蕩器（VCO）的振蕩頻率，該頻率經被測電路后至整流濾波，再經A／D轉換回送到CPU。VCO的振蕩頻率在掃頻范圍內由低頻端至高頻端至低頻端比較緩慢地循環變化，與此同時，由CPU控制A／D轉換時序，然后再由軟件轉換成液晶顯示代碼顯示出來。
4．2鎖相頻率合成電路
　　該單元是本機工作的關鍵部分，系統結構如圖3所示。合成頻率步長Fr設定為掃頻范圍的1／128，掃頻范圍最大可為20Hz～2MHz，顯然，掃頻范圍越小，掃頻精度越高。
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　　目前市場上的頻率合成器集成電路很多，我們選用摩托羅拉公司的MC145151。該芯片是一塊14位并行碼輸入的單模、單片鎖相環頻率合成器，片內含有參考振蕩器、參考分頻器、鑒相器、可編程分頻器等部件，最大可變分頻比為16383，最高工作頻率為30MHz，能夠滿足系統的設計要求。
　　在鎖相環路中，環路濾波器的設計是十分重要的。本系統采用無源比例積分濾波器，其結構簡單、性能穩定、調試方便。
4．3整流濾波電路
　　整流電路的任務是將從被測電路接收到的正弦波信號變換成直流電。完成這一電路主要是靠二極管的單向導電作用，因此二極管是構成整流電路的關鍵元件。在小功率整流電路中，常見的幾種整流電路有半波、全波、橋式和倍壓整流電路。為了保證被測信號的完整性，我們采用了橋式整流電路，如圖4所示。

　　濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，濾波電路有很多分類方法。常用的結構有C型濾波電路、倒L型濾波電路、π型濾波電路。比較以上幾種濾波器，我們選用電路較簡單、性能較好的π型濾波　　電路。
4．4A／D轉換電路
　　A／D轉換器的作用是把輸入的模擬信號轉換成數字形式,使得CPU能夠處理從被測電路接收到的模擬信號。因A／D轉換器應用范圍極廣,故其轉換芯片品種及類型很多,常見的有ADC0809、ADC570、ADC574、ADC1210、ADC0804、5G14433等多種集成電路。我們選用ADC0809集成轉換器，它是一個八通道多路開關、單片CMOS模／數轉換器，每個通道均能轉換出8位數字量，它是逐次逼近比較型轉換器，包括一個高阻抗斬波比較器、一個帶有256個電阻分壓器的樹狀開關網絡、一個控制邏輯環節和八位逐次逼近數碼寄存器，最后輸出級有一個八位三態輸出鎖存器。
　　為了保證掃頻精度，在A／D轉換器之前必須加上采樣和保持電路，這是因為從模擬量到數字量的轉換需要一定時間，在轉換時，信號應保持穩定。采樣保持電路如圖5所示。
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4．5液晶顯示電路
　　液晶顯示器（LCD）是一種被動式顯示器，由于它的功耗低、抗干擾能力強、顯示界面效果良好，因而在低功耗的單片機系統中大量使用。
　　目前市面上的LCD顯示屏種類繁多，我們選購了長沙太陽人電子有限公司生產的SMG12232B－2LCM產品。其顯示容量是122×32點陣，芯片工作電壓是4．5～5．5V，工作電流是5mA（5．0V），它有16只引腳、八位數據線。
4．6輕觸鍵盤部分
　　控制面板是儀器的必要組成部分，它和顯示輸出設備一樣，均是操作人員與儀器交互的窗口，也是系統與外界聯系的紐帶和界面。一個安全可靠的應用系統必須具有方便靈活的交互功能，它既能及時反映系統運行的重要狀態，又能在必要時實現適當的人工干預。
　　鍵盤接口按不同標準可有不同分類方法，按鍵盤排布方式可分成獨立方式和行列方式；按讀入鍵值的方式可分成直讀方式和掃描方式；按是否進行硬件編碼可分成非編碼方式和硬件編碼方式；按CPU響應方式可分成中斷方式和查詢方式。我們選用結構簡單、易于處理的行列掃描非編碼中斷方式鍵盤。電路原理圖如圖6所示。
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　　本面板共設控制鍵Y軸衰減、X軸壓縮、中心頻率調節以及相應的調諧鍵“＋”、“－”、全自動調整鍵（AUTO）。
4．7單片機控制臺
　　單片機（CPU）是整個自動化系統的核心，也是整個硬件部分的總結，它由后述軟件驅動各個控制單元。CPU的種類繁多，GI、Rockwell、Intel、Zilog、Motorola、NEC等世界大計算機公司都紛紛推出自己的單片機系列。我們選取最常用的Intel公司生產的MCS－51系列中的AT89C51芯片，它有40只引腳、8位數據線、16位地址線、4KBROM、128ByteRAM、兩個外中斷、兩個16位定時／計數器、一個可編程全雙工串行口、共32條可編程的I／O線。
　　中斷式鍵盤的中斷信號線連到CPU的外中斷INT0，它的行列掃描線由P1口產生。MC145151、ADC0809、SMG12232B－2 LCM的片選信號由高8位地址線產生。由于MC145151有14位數據線，而AT89C51輸出只有8位數據線，我們將CPU分兩次送出，先送低字節，后送高字節（稱右對齊）。相應的接口電路設置兩個鎖存器，分別鎖存高字節和低字節。ADC0809采用中斷方式接收數據，其中斷信號線連到CPU的外中斷INT1。
5軟件設計
　　本系統的軟件部分采用模塊化程序設計方法，由匯編語言A51編寫，共分為主程序（MAIN）、外中斷0子程序（INT00）、外中斷1子程序（INT11）、掃頻信號產生子程序（SPXHCS）、液晶顯示子程序（LCDSSEE）等幾大模塊。
　　在主程序中設置一個計數指針R7，代表在掃頻范圍內從低頻端到高頻端步進。當R7計數完畢時，重新賦值R7，并返回查找鍵值，若鍵值不變，則掃頻各個參數均不變地再進行掃頻；若鍵值有所改變，則計算相應的掃頻參數重新掃頻，如此反復循環。
　　外中斷0子程序作為鍵盤掃描子程序，該程序采用一種新的設計方法，即在初始化CPU時，預先向P1口送數據＃0FH，若有鍵按下，則列線有一根變為低電平“0”，列線與門也輸出低電平“0”，此時產生中斷；否則若沒鍵按下，則所有列線均為高電平“1”，列線與門也輸出高電平“1”，不產生中斷。在中斷子程序中，將P1口數據轉移到累加器A中，并“或”上＃0F0H，又轉移到P1口，此時就可將P1口中的數據作為鍵值，程序框圖略。
　　外中斷1子程序作為掃頻Y軸掃描子程序，當該程序產生中斷時，隨即讀取ADC0809中的數據，然后轉換成液晶顯示代碼。顯示代碼的轉換采用查表指今的方法，在程序末尾建立一個顯示代碼表格。程序框圖略。
　　掃頻信號產生子程序并不負責產生掃頻信號，它只送出14位數據給MC145151芯片。掃頻信號由
硬件頻率合成器產生和校準。由于MC145151是14位數據線，而AT89C51是8位數據線，在軟件設計中采用右對齊的方式分兩次送數，即先送低8位，然后送高8位，在硬件設計中采用兩級數據鎖存器。程序框圖略。
　　液晶顯示子程序分三個步驟：第一步進行液晶片“忙”檢測；第二步進行內部寫數據指針定位；第三步進行寫顯示代碼數據。在以上三步中，關鍵的一步是第二步內部寫數據指針定位，定位指針受X軸和Y軸掃頻同時控制。程序框圖略。
6系統擴展功能
　　由于本系統包含高精度的模／數轉換，可在軟件設計中稍加修改，運用采樣示波器的原理，完成示波器的功能。且該示波器可以測量周期長、變化緩慢的信號，例如溫度的變化、氣候的變化等參量。

1　蔡美琴等編著．MCS－51系列單片機系統及其應用（第一版）．北京：電子工業出版社，1992年8月
2　謝良友編著．電子測量與儀器（第一版）．北京：電子工業出版社，1994年3月