基于AT89C51單片機和DDS器件實現頻率特征測試儀的設計

1、 引 言

頻率特性是一個系統（或元件）對不同頻率正弦輸入信號的響應特性。如圖1所示，被測系統輸入幅值為Ar、角頻率為ω的正弦信號，如果該系統是線性的，則其穩態輸出也是正弦信號，頻率ω不變，幅值為Ac，相角差為φ。改變ω可以得到一系列輸入和輸出數據。輸出對輸入的幅值比A（ω）=Ac／Ar與ω的關系曲線稱為該系統的幅頻特性，通常取20 lg A（ω）稱為對數幅頻特性。輸出對輸入的相角差φ（ω）與ω的關系曲線稱為該系統的相頻特性。幅頻特性和相頻特性綜合稱為頻率特性，常用的是系統的開環頻率特性即波特圖。

一個系統的頻率特征可通過頻率特征測試儀來測定。頻率特性測試儀也稱掃頻儀，用于測試被測網絡的幅頻特性。他可以測量被測網絡的諧振頻率、帶寬、帶外衰減、增益等，是電子領域的常用設備之一。模擬式掃頻儀價格較貴，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，給使用者帶來了諸多不便，為此沒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生標準正弦波，輸入到被測網絡；被測網絡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行處理；單片機處理后的結果一方面提供給LED實時顯示，另一方面存人存儲器，供示波器顯示幅頻、相頻曲線?？偪蛘迦鐖D2所示。

2.1 掃頻信號源的設計

掃頻信號發生器是頻率特性測試儀的核心，他提供被測網絡輸入所需的頻率隨時間在一定范圍內周期變化的正弦信號。掃頻信號產生的方法有鎖相環（PLL）及可預置分頻器、單片集成波形發生器、專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，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）來產生掃描正弦波。

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，DDS器件能夠保持相位的連續，因此很容易實現頻率、相位和幅度調制，此外DDS還具有可編程控制的突出優點。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N位字長的二進制加法器和一個有時鐘fclk取樣的N位寄存器組成，作用是對頻率控制字進行線性累加。當相位增量為1，累加器的字寬為32位時，輸出地址對應于波形的相位分辨率為l／232。正弦ROM表中存儲著一張正弦函數查詢表，對應不同的瞬時相位碼輸出不同的幅度編碼。工作時往DDS中寫入控制字到相位累加器并轉化成瞬時相位，在外部參考時鐘的作用下，每個時鐘周期相位累加器累加相位步進一次，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限電壓進行比較可得到同頻率的方波時鐘信號，他將所需正弦波一個周期的離散樣點的幅值數字量存入ROM中，然后按一定的地址間隔（相位增量）讀出，并經D／A轉換器形成模擬正弦信號，再經低通濾波器得到質量較好的正弦信號。

信號發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）。

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現頻率步進10Hz的要求。這里時鐘頻率為：

式中，△phase為頻率控制字，sysclk為系統時鐘，clkin為DDS的輸入參考時鐘頻率，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。

2.2 幅頻和相頻特性設計

幅頻特性測試電路由峰值檢波器和D／A轉換器組成。峰值檢波器由“運放”和檢波二極管構成。如圖3所示。他將被測網絡的輸出信號峰值檢出來（代表網絡幅頻規律），送往8位ADC0809模數轉換器，數字化后再送單片機AT89C51進行處理。

幅頻特征測試中常用的檢波方式有峰值檢波和有效值檢波。但由于有效值檢波無法達到設計要求的500 Hz～10 kHz頻率變化范圍，所以采用峰值檢波。利用有源峰值檢波器實現峰值測量，峰值檢波器將被測網絡的輸入和輸出信號的峰值檢出，再送至A／D轉換器完成量化。實際上，由于信號源的D／A及低通濾波器的特性能保證在100 Hz～100 kHz范圍內的幅值保持不變，所以可以省去一路峰值檢波器及A／D，而只采集被測網絡的輸出信號。

相頻特性測試電路（框圖如圖4）由兩個過零比較器、鑒相器、低通濾波器和A／D轉換器組成。兩個比較器由“運放”構成過零信號比較器，分別將被測網絡的輸入、輸出正弦信號轉換為數字信號。

鑒相器采用ETESTER實現。鑒相出被測網絡的輸入、輸出信號的相位差信號，經過低通濾波器濾波得到被測網絡的相移信號，送至ADC0809進行模數轉換成數字量，再送到單片機進行處理。由鑒相器輸出的脈沖信號的占空比與這兩路信號的相位差成正比，即：

相位差=N1／（N1+N2）×360°

其中N1是高電平脈寬時間內的計數值，N2是低電平脈寬時間內的計數值。兩路同頻率不同相位的時鐘信號PA和PB通過鑒相器epd后，將輸出一路具有不同占空比的脈沖波形。其頻率與輸入頻率相同，而占空比與PA和PB信號上升沿的時間有關。epd的脈寬等于PB和PA信號上升沿的時間差，這個時間差即為PB，他正好等于epd的占空比乘以360°。

2.3 頻率特征的顯示和打印

頻率特性測試儀設計中包含兩種顯示方式，一種為LED顯示數值，并可打印輸出；另一種為用示波器顯示頻率特性曲線。我們參考的打印方式是在系統中設計一個RS 232串行口，利用MCU的串口功能實現與單片機AT89C51通訊，利用PC機的打印控制功能完成打印。

一般的示波器是輸入模擬電壓信號，即要將已經測量得到的幅頻特性和相頻特性數據經D／A轉換為模擬電壓量。因為使用單通道示波器顯示幅頻和相頻兩條曲線，所以可以使兩條曲線分時顯示在屏上的不同位置。為了便于觀察，當輸出幅頻特性數據顯示在屏幕上方時，可在D／A的輸出相迭加一個正電壓，由于示波器的掃描速度很快，相頻看起來和幅頻兩條曲線同時顯示在屏幕上。

3 、結語

該系統體積較小，由于選用的單片機是AT89C51，且單片機系統的程序較短，所以無需擴展EPROM和RAM。另外，由于使用了DDS集成電路來產生掃頻信號，所以掃頻信號的質量高，掃頻范圍較寬。但是，因為該系統使用的是點頻法測量網絡的頻率特性，系統測繪時間略長。若要提高系統的掃頻范圍，可用輸出頻率更高的DDS器件。

實驗表明，該系統穩定可靠，顯示打印的幅頻特征曲線與傳統掃頻儀所測得的曲線相符，繪制的頻率特性圖與理論一致。軟件的操作使用和圖形數據的處理非常方便，整個儀器的使用非常簡單，是模擬式掃頻儀無法相比的。

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