一種基于單片機(jī)控制的數(shù)字頻率特性測試裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型為一種基于單片機(jī)控制的數(shù)字頻率特性測試裝置，該裝置的組成包括正交掃頻信號源模塊、乘法電路模塊、低通濾波模塊、ADC模塊和控制顯示模塊；其中，正交掃頻信號源模塊包括正交掃頻信號源、七階橢圓濾波電路和放大電路；乘法電路模塊包括第一乘法器和第二乘法器；低通濾波模塊包括第一低通濾波電路、第二低通濾波電路；ADC模塊包括第一程控增益放大電路、第二程控增益放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；控制顯示模塊包括單片機(jī)、LCD顯示屏。本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有的裝置中存在的測量范圍小，測量的誤差大和精度低的缺點(diǎn)，具有顯著的進(jìn)步性。
【專利說明】
一種基于單片機(jī)控制的數(shù)字頻率特性測試裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及數(shù)字頻率特性測量技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是涉及基于單片機(jī)控制的一種幅頻特性和相頻特性測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]為測定未知系統(tǒng)的頻率特性，通常采用掃頻的方法:讓不同頻率的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號通過待測系統(tǒng)，通過記錄和比較輸入、輸出波形的幅度相位關(guān)系，得到系統(tǒng)的幅頻和相頻特性，即掃頻儀。模擬式掃頻儀價(jià)格昂貴，體積龐大，操作復(fù)雜，給使用者帶來諸多不便，已經(jīng)逐漸不能滿足用戶的要求。數(shù)字式頻率特性測試儀已經(jīng)逐漸代替模擬式掃頻儀成為研究和設(shè)計(jì)的方向。數(shù)字頻率特性測試裝置主要由正交掃頻信號源模塊、乘法電路模塊、低通濾波模塊、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、控制系統(tǒng)模塊組成。
[0003]正交掃頻信號源可以采用FPGA現(xiàn)場可編程門陣列方式，以單片機(jī)和FPGA為核心，用DDS直接數(shù)字式頻率合成器原理采用由FPGA經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生頻率由單片機(jī)控制的正弦波掃頻信號；但FPGA方式在工作頻率很高的情況下，F(xiàn)PGA內(nèi)部時(shí)延的不確定性使得FPGA內(nèi)部時(shí)序的設(shè)計(jì)和調(diào)試相當(dāng)困難。其次，可以采用程控?cái)?shù)字鎖相環(huán)頻率合成，首先通過頻率合成技術(shù)產(chǎn)生所需要頻率的方波，通過積分電路就可以得到同頻率的三角波，再經(jīng)過濾波器就可以得到正弦波;這種方法可以達(dá)到很高的工作頻率和頻率分辨率，但使用的濾波器要求通帶可變，實(shí)現(xiàn)起來困難。
[0004]申請?zhí)枮?01220421411.4的實(shí)用新型專利是基于SOPC的頻率特性測試裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)在IHz?25MHz內(nèi)連續(xù)掃頻，但科技發(fā)展迅速，不滿足更高頻的頻率特性測試。申請?zhí)枮?01320771567.X的實(shí)用新型專利是基于正交調(diào)制原理的頻率特性測試儀，采用單片機(jī)內(nèi)的模塊直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，因乘法器采用AD835電壓輸出模擬乘法器芯片，輸出信號在IV以內(nèi)，使模數(shù)轉(zhuǎn)換的誤差較大。
[0005]因此，我們迫切需要一種新的頻率特性測試裝置，以準(zhǔn)確測量待測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型針對現(xiàn)有裝置的不足，提供一種基于單片機(jī)最小控制的數(shù)字頻率特性測試裝置。本裝置是根據(jù)零中頻正交解調(diào)原理，設(shè)計(jì)一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)數(shù)字頻率特性測試裝置，能夠測試幅頻特性和相頻特性，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頻和掃頻兩種測量模式。其中采用單片機(jī)與DDS專用芯片構(gòu)成正交掃頻信號源，正交掃頻信號源可實(shí)現(xiàn)IMHz?40MHz的頻率范圍，且輸出信號的幅度平坦度在5%以內(nèi)。為了增大正交掃頻信號源輸出信號幅度，增加了放大電路，提高輸入阻抗，起到一定阻抗匹配的作用，使得系統(tǒng)高效運(yùn)行。在ADC模塊中，為了減小AD采集誤差，添加了由PGA204可編程增益放大器組成的程控增益放大電路，提高了系統(tǒng)的測量精度。
[0007]本實(shí)用新型的解決方案是:
[0008]一種基于單片機(jī)控制的數(shù)字頻率特性測試裝置，該裝置的組成包括正交掃頻信號源模塊、乘法電路模塊、低通濾波模塊、ADC模塊和控制顯示模塊；
[0009]其中，正交掃頻信號源模塊包括正交掃頻信號源、七階橢圓濾波電路和放大電路，三個(gè)部分順次連接；
[0010]乘法電路模塊包括第一乘法器和第二乘法器，兩個(gè)乘法器相同，各自獨(dú)立；
[0011]低通濾波模塊包括第一低通濾波電路、第二低通濾波電路，兩個(gè)低通濾波電路相同，各自獨(dú)立；
[0012]ADC模塊包括第一程控增益放大電路、第二程控增益放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，兩個(gè)程控增益放大電路相同，各自獨(dú)立；
[0013]控制顯示模塊包括單片機(jī)和LCD顯示屏；
[0014]其中，放大電路分別與第一乘法器、第二乘法器連接，第一乘法器、第一低通濾波電路、第一程控增益放大電路順次連接，第二乘法器、第二低通濾波電路、第二程控增益放大電路順次連接，第一程控增益放大電路、第二程控增益放大電路分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路連接，單片機(jī)分別與正交掃頻信號源、第一程控增益放大電路、第二程控增益放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、IXD顯示屏連接。
[0015]所述的正交掃頻信號源為AD9854數(shù)字合成器;放大電路為AD8009超高速電流反饋型放大器;單片機(jī)的型號為STM32F103ZET6;低通濾波電路為LM358雙運(yùn)算放大器;程控增益放大電路為PGA204可編程增益放大器;模數(shù)轉(zhuǎn)換電路為AD7689模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0016]本實(shí)用新型的有益效果為:克服了現(xiàn)有的測量范圍小，測量的誤差大和精度低的缺點(diǎn)，具有顯著的進(jìn)步性，具體體現(xiàn)在以下方面:
[0017](I)采用STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)與DDS專用芯片構(gòu)成正交掃頻信號源，電路中AD9854采用30MHz有源晶振作為參考時(shí)鐘。在一個(gè)精確的時(shí)鐘源的控制下，它可以產(chǎn)生頻譜較純、頻率一相位一幅度可編程的正余弦信號，這個(gè)正余弦信號可以實(shí)現(xiàn)IMHz?40MHz的頻率范圍，且輸出信號的幅度平坦度在5%以內(nèi)。
[0018](2)為了增大信號源輸出信號幅度，增加了基于AD8009的放大電路，提高輸入阻抗，起到一定阻抗匹配的作用，使得系統(tǒng)高效運(yùn)行。
[0019](3)為了減小AD采集誤差，在ADC模塊中添加了由PGA204組成的程控增益放大電路，提尚了系統(tǒng)的測量精度。
【附圖說明】
[0020]圖1為本實(shí)用新型所述的基于單片機(jī)控制的數(shù)字頻率特性測試裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0021 ]其中，1-正交掃頻信號源模塊;2-乘法電路模塊;3-低通濾波模塊;4-ADC模塊;5_控制顯示模塊；101-正交掃頻信號源；102-七階橢圓濾波電路；103-放大電路;201-第一乘法器;202-第二乘法器;301-第一低通濾波電路;302-第二低通濾波電路;401-第一程控增益放大電路;402-第二程控增益放大電路;403-模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；501-單片機(jī);502-LCD顯示屏.
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0023]如圖1，本實(shí)用新型所述的基于單片機(jī)控制的數(shù)字頻率特性測試裝置是基于零中頻正交解調(diào)原理的數(shù)字頻率特性測試裝置，該裝置的組成包括正交掃頻信號源模塊1、乘法電路模塊2、低通濾波模塊3、ADC模塊4和控制顯示模塊5。
[0024]如圖1，詳細(xì)的說明了本實(shí)用新型的各部分的連接關(guān)系及其具體實(shí)現(xiàn)方式，其中，
[0025]正交掃頻信號源模塊I包括正交掃頻信號源101(型號為AD9854數(shù)字合成器)、七階橢圓濾波電路102和放大電路103(型號為AD8009超高速電流反饋型放大器)，三個(gè)部分順次連接；
[0026]乘法電路模塊2包括第一乘法器201和第二乘法器202，兩個(gè)乘法器相同，各自獨(dú)立，型號為AD835模擬乘法器；
[0027]低通濾波模塊3包括第一低通濾波電路301、第二低通濾波電路302，兩個(gè)低通濾波電路相同，各自獨(dú)立，型號為LM358雙運(yùn)算放大器；
[0028]ADC模塊4包括第一程控增益放大電路401、第二程控增益放大電路402以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路403(型號為AD7689模數(shù)轉(zhuǎn)換器)，兩個(gè)程控增益放大電路相同，各自獨(dú)立，型號為PGA204可編程增益放大器；
[0029]控制顯示模塊5包括單片機(jī)501(型號為STM32F103ZET6)和LCD顯示屏502;
[0030]其中，放大電路103分別與第一乘法器201、第二乘法器202連接，第一乘法器201、第一低通濾波電路301、第一程控增益放大電路401順次連接，第二乘法器202、第二低通濾波電路302、第二程控增益放大電路402順次連接，第一程控增益放大電路401、第二程控增益放大電路402分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路403連接，單片機(jī)501分別與正交掃頻信號源101、第一程控增益放大電路401、第二程控增益放大電路402、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路403、IXD顯示屏502連接。
[0031]測試時(shí)，被測網(wǎng)絡(luò)的輸入端與放大電路103的余弦信號輸出端連接，被測網(wǎng)絡(luò)的輸出端分別與第一乘法器201、第二乘法器202的輸入端連接。
[0032]本實(shí)用新型以單片機(jī)501為主要控制中心，頻率特性的測試方式有點(diǎn)頻測量模式和掃頻測量模式。因?yàn)檎粧哳l信號源101的頻率范圍設(shè)定在1ΜΗζ-40ΜΗζ，因此需要正交掃頻信號源101產(chǎn)生的本征頻率的正弦波要有很寬的頻帶范圍，而在較寬的頻帶內(nèi)，信號的幅度會(huì)有所衰減。為了使數(shù)字頻率特性測試裝置的本征頻率正弦波的幅度保持一致，因此需要測量輸入激勵(lì)信號和輸出信號的幅度的比值，采用軟件控制不同頻率輸入信號的幅度，使輸出信號幅度平坦度在5%以內(nèi)。
[0033]上述正交掃頻信號源模塊I中正交掃頻信號源101采用30MHz有源晶振作為參考時(shí)鐘。低通濾波器采用了七階橢圓濾波電路102，負(fù)責(zé)濾除輸出信號中所含有的高頻雜散信號和諧波信號。因?yàn)檎粧哳l信號源101輸出的信號幅度不足IV，為了使信號輸出大于IV，接入輸出增益以提高信號的輸出電壓。七階橢圓濾波電路102輸出的信號通過放大電路103后，被放大了 5倍，信號幅度大約能達(dá)到1.5V，同時(shí)提高了系統(tǒng)輸入阻抗，起到一定阻抗匹配的作用，使得系統(tǒng)高效運(yùn)行。
[0034]被放大的余弦信號分別連接第一乘法器201的一個(gè)輸入端和被測網(wǎng)絡(luò)的輸入端，被測網(wǎng)絡(luò)的輸出端分別連接第一乘法器201的另一個(gè)輸入端和第二乘法器202的一個(gè)輸入端。被放大的正弦信號連接第二乘法器202的另一個(gè)輸入端。乘法器模塊2部分采用AD835芯片實(shí)現(xiàn)，能夠產(chǎn)生X和Y電壓輸入的線性成積。下一級中的低通濾波模塊3為了抑制乘法器輸出的高頻分量，保留直流信號，其3dB截止頻率設(shè)為30Hz，采用第一低通濾波電路301和第二低通濾波電路302。前面因?yàn)榻?jīng)過AD835可以實(shí)現(xiàn)輸出信號在O?IV變化，但不能滿足更多信號源需求，需要將低通濾波模塊3的輸出信號經(jīng)過下一級的放大器。放大器選擇由PGA204構(gòu)成的第一程控增益放大電路401和第二程控增益放大電路402實(shí)現(xiàn)，PGA204的放大倍數(shù)可為1,10,100,1000，放大倍數(shù)由15，16兩腳的數(shù)字量AO和Al控制。其中引腳6、7的外接電位器可對輸入級的失調(diào)電壓進(jìn)行補(bǔ)償。引腳1(REF)的外接電路是用來補(bǔ)償輸出對輸入的失調(diào)電壓的。使用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路403來對第一程控增益放大電路401和第二程控增益放大電路402輸出的兩路電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路403與單片機(jī)501間通過簡單的SPI接口來配置寄存器，并處理兩路信號的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，將被測網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線在LCD顯示屏502上顯示輸出。
[0035]本實(shí)用新型是一種基于單片機(jī)控制的數(shù)字頻率特性測試裝置，采用STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)作為控制中心，以正交掃頻信號源101作為正交掃頻信號發(fā)生源，基于零中頻正交解調(diào)原理得到被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性，并通過LCD顯示屏502顯示輸出。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，能夠滿足1ΜΗζ-40ΜΗζ頻率范圍內(nèi)的需求，且信號源輸出信號幅度平坦度在5%以內(nèi)，實(shí)用性強(qiáng)。
[0036]本實(shí)用新型未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
[0037]實(shí)施例1
[0038]采用點(diǎn)頻測量模式，開機(jī)上電后，進(jìn)入主菜單，選擇點(diǎn)頻測量模式，接下來設(shè)定點(diǎn)頻測量的頻率，選擇開始后，正交掃頻信號源輸出兩路正交信號，兩路正交信號需要進(jìn)行濾波和放大，接下來余弦信號輸出端分別連接被測網(wǎng)絡(luò)和第一乘法器201的輸入端，被測網(wǎng)絡(luò)的輸出端分別連接第一乘法器201和第二乘法器202的一個(gè)輸入端，正弦信號輸出端連接第二乘法器202的另一個(gè)輸入端。經(jīng)過乘法器后，兩路信號分別進(jìn)行低通濾波和程控放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換，將兩路信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理，經(jīng)過計(jì)算可以得到被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性，通過按鍵選擇可以在LCD顯示屏502上分別顯示。
[0039]實(shí)施例2
[0040]采用掃頻測量模式，開機(jī)上電后，進(jìn)入主菜單，選擇掃頻測量模式，接下來分別設(shè)定最高頻率、最低頻率和步長，選擇開始后，工作原理同實(shí)施例1，通過按鍵選擇可在LCD顯示屏502上分別顯示被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性。
[0041]本實(shí)用新型中涉及的軟件或協(xié)議為基于STM32開發(fā)平臺(tái)的自帶功能或公知技術(shù)。
[0042]本實(shí)用新型未盡事宜為公知技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于單片機(jī)控制的數(shù)字頻率特性測試裝置，其特征為該裝置的組成包括正交掃頻信號源模塊、乘法電路模塊、低通濾波模塊、ADC模塊和控制顯示模塊； 其中，正交掃頻信號源模塊包括正交掃頻信號源、七階橢圓濾波電路和放大電路，三個(gè)部分順次連接； 乘法電路模塊包括第一乘法器和第二乘法器，兩個(gè)乘法器相同，各自獨(dú)立； 低通濾波模塊包括第一低通濾波電路、第二低通濾波電路，兩個(gè)低通濾波電路相同，各自獨(dú)立； ADC模塊包括第一程控增益放大電路、第二程控增益放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，兩個(gè)程控增益放大電路相同，各自獨(dú)立； 控制顯示模塊包括單片機(jī)和IXD顯示屏； 其中，放大電路分別與第一乘法器、第二乘法器連接，第一乘法器、第一低通濾波電路、第一程控增益放大電路順次連接，第二乘法器、第二低通濾波電路、第二程控增益放大電路順次連接，第一程控增益放大電路、第二程控增益放大電路分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路連接，單片機(jī)分別與正交掃頻信號源、第一程控增益放大電路、第二程控增益放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、IXD顯示屏連接。2.如權(quán)利要求1所述的基于單片機(jī)控制的數(shù)字頻率特性測試裝置，其特征為所述的正交掃頻信號源為AD9854數(shù)字合成器;放大電路為AD8009超高速電流反饋型放大器;單片機(jī)的型號為STM32F103ZET6;低通濾波電路為LM358雙運(yùn)算放大器；程控增益放大電路為PGA204可編程增益放大器;模數(shù)轉(zhuǎn)換電路為AD7689模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
【文檔編號】G01R31/00GK205506977SQ201620311791
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月13日
【發(fā)明人】任婷婷, 周亞同, 郝茜茜, 石學(xué)超, 許亞惠
【申請人】河北工業(yè)大學(xué)