低頻掃頻儀的設(shè)計與制作

2 方案的設(shè)計與論證

根據(jù)上述要求，我們可有以下三種設(shè)計方案：

（1）借助實驗室的低頻信號發(fā)生器與示波器，

用人工的方法進(jìn)行定點描測，即由低頻信號發(fā)生器產(chǎn)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
　
（2）以單片機(jī)為核心，外圍頻率合成器、整流濾波、a／d轉(zhuǎn)換、液晶顯示、鍵盤控制等部分進(jìn)行智能全自動化綜合系統(tǒng)設(shè)計，工作原理后文詳述，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

（3）以dsp芯片為核心，對外圍寬帶信號發(fā)生器、寬帶信號接收器、液晶顯示屏、控制面板等部分進(jìn)行智能系統(tǒng)設(shè)計，其基本工作原理是：由信號發(fā)生單元產(chǎn)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(jìn)行頻譜分析，掃頻結(jié)果由液晶顯示直觀地顯示出來，鍵盤采用輕觸開關(guān)控制掃頻范圍、輸出／輸入信號衰減db值等設(shè)置，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。
　　
顯而易見，方案1是一種傳統(tǒng)的人工方案，測試麻煩，速度慢，工作效率低，不符合現(xiàn)代電子設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；方案2、3均是全自動化儀設(shè)計方案，方案3比方案2的測試性能、精度指標(biāo)要好，但方案2的成本低廉，易于生產(chǎn)，因此我們選擇方案2。

3 掃頻儀的工作原理

在電子測量中，經(jīng)常遇到對網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性和傳輸特性進(jìn)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(wǎng)絡(luò)的調(diào)整，校準(zhǔn)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(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、寬帶放大器、頻標(biāo)信號發(fā)生器、x軸放大、y軸放大、顯示設(shè)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(fā)生器，就形成了鋸齒波，這個鋸齒波一方面控制掃頻信號發(fā)生器，對掃頻信號進(jìn)行調(diào)頻，另一方面該鋸齒波送到x軸偏轉(zhuǎn)放大器放大后，去控制示波器x軸偏轉(zhuǎn)板，使電子束產(chǎn)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(yīng)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(fā)生器產(chǎn)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(diào)幅，寬帶放大器增設(shè)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(biāo)混頻器，在頻標(biāo)混頻器中與1mhz和10mhz或50mhz晶振信號或外頻標(biāo)信號進(jìn)行混頻。產(chǎn)生的頻標(biāo)信號送入y軸偏轉(zhuǎn)放大器放大后輸出給示波管的y軸偏轉(zhuǎn)板。掃頻信號通過被測電路后，經(jīng)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(zhuǎn)板，得被測電路的幅頻特性曲線。

4 硬件設(shè)計

4．1硬件組成
　　
本系統(tǒng)的硬件部分由cpu（89c51）、頻率合成器（mc145151－1）、整流濾波、a／d轉(zhuǎn)換（adc0 809）、液晶顯示、輕觸鍵盤等單元組成，系統(tǒng)方框圖如圖1所示。鍵盤控制掃頻范圍，由單片機(jī)輸送14位數(shù)據(jù)至mc145151－1控制壓控振蕩器（vco）的振蕩頻率，該頻率經(jīng)被測電路后至整流濾波，再經(jīng)a／d轉(zhuǎn)換回送到cpu。vco的振蕩頻率在掃頻范圍內(nèi)由低頻端至高頻端至低頻端比較緩慢地循環(huán)變化，與此同時，由cpu控制a／d轉(zhuǎn)換時序，然后再由軟件轉(zhuǎn)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(jī)工作的關(guān)鍵部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。合成頻率步長fr設(shè)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。

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(huán)頻率合成器，片內(nèi)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(tǒng)的設(shè)計要求。
　　
在鎖相環(huán)路中，環(huán)路濾波器的設(shè)計是十分重要的。本系統(tǒng)采用無源比例積分濾波器，其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、調(diào)試方便。

4．3整流濾波電路
　　
整流電路的任務(wù)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?qū)щ娮饔茫虼硕O管是構(gòu)成整流電路的關(guān)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換電路
　　
a／d轉(zhuǎn)換器的作用是把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)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(zhuǎn)換器應(yīng)用范圍極廣,故其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，它是一個八通道多路開關(guān)、單片cmos模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個通道均能轉(zhuǎn)換出8位數(shù)字量，它是逐次逼近比較型轉(zhuǎn)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(guān)網(wǎng)絡(luò)、一個控制邏輯環(huán)節(jié)和八位逐次逼近數(shù)碼寄存器，最后輸出級有一個八位三態(tài)輸出鎖存器。
　　
為了保證掃頻精度，在a／d轉(zhuǎn)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(shù)字量的轉(zhuǎn)換需要一定時間，在轉(zhuǎn)換時，信號應(yīng)保持穩(wěn)定。采樣保持電路如圖5所示。

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(qiáng)、顯示界面效果良好，因而在低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)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(chǎn)的smg12232b－2lcm產(chǎn)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(shù)據(jù)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(shè)備一樣，均是操作人員與儀器交互的窗口，也是系統(tǒng)與外界聯(lián)系的紐帶和界面。一個安全可靠的應(yīng)用系統(tǒng)必須具有方便靈活的交互功能，它既能及時反映系統(tǒng)運行的重要狀態(tài)，又能在必要時實現(xiàn)適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)。
　　
鍵盤接口按不同標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行硬件編碼可分成非編碼方式和硬件編碼方式；按cpu響應(yīng)方式可分成中斷方式和查詢方式。我們選用結(jié)構(gòu)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。

本面板共設(shè)控制鍵y軸衰減、x軸壓縮、中心頻率調(diào)節(jié)以及相應(yīng)的調(diào)諧鍵“＋”、“－”、全自動調(diào)整鍵（auto）。

4．7單片機(jī)控制臺
　　
單片機(jī)（cpu）是整個自動化系統(tǒng)的核心，也是整個硬件部分的總結(jié)，它由后述軟件驅(qū)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(jī)公司都紛紛推出自己的單片機(jī)系列。我們選取最常用的intel公司生產(chǎn)的mcs－51系列中的at89c51芯片，它有40只引腳、8位數(shù)據(jù)線、16位地址線、4kbrom、128byteram、兩個外中斷、兩個16位定時／計數(shù)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(chǎn)生。mc145151、adc0809、smg12232b－2 lcm的片選信號由高8位地址線產(chǎn)生。由于mc145151有14位數(shù)據(jù)線，而at89c51輸出只有8位數(shù)據(jù)線，我們將cpu分兩次送出，先送低字節(jié)，后送高字節(jié)（稱右對齊）。相應(yīng)的接口電路設(shè)置兩個鎖存器，分別鎖存高字節(jié)和低字節(jié)。adc0809采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，其中斷信號線連到cpu的外中斷int1。

5 軟件設(shè)計
　　
本系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化程序設(shè)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(chǎn)生子程序（spxhcs）、液晶顯示子程序（lcdssee）等幾大模塊。
　　
在主程序中設(shè)置一個計數(shù)指針r7，代表在掃頻范圍內(nèi)從低頻端到高頻端步進(jìn)。當(dāng)r7計數(shù)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(shù)均不變地再進(jìn)行掃頻；若鍵值有所改變，則計算相應(yīng)的掃頻參數(shù)重新掃頻，如此反復(fù)循環(huán)。
　　
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(shè)計方法，即在初始化cpu時，預(yù)先向p1口送數(shù)據(jù)＃0fh，若有鍵按下，則列線有一根變?yōu)榈碗娖健?”，列線與門也輸出低電平“0”，此時產(chǎn)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(chǎn)生中斷。在中斷子程序中，將p1口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到累加器a中，并“或”上＃0f0h，又轉(zhuǎn)移到p1口，此時就可將p1口中的數(shù)據(jù)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(dāng)該程序產(chǎn)生中斷時，隨即讀取adc0809中的數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)換成液晶顯示代碼。顯示代碼的轉(zhuǎn)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(chǎn)生子程序并不負(fù)責(zé)產(chǎn)生掃頻信號，它只送出14位數(shù)據(jù)給mc145151芯片。掃頻信號由硬件頻率合成器產(chǎn)生和校準(zhǔn)。由于mc145151是14位數(shù)據(jù)線，而at89c51是8位數(shù)據(jù)線，在軟件設(shè)計中采用右對齊的方式分兩次送數(shù)，即先送低8位，然后送高8位，在硬件設(shè)計中采用兩級數(shù)據(jù)鎖存器。程序框圖略。
　　
液晶顯示子程序分三個步驟：第一步進(jìn)行液晶片“忙”檢測；第二步進(jìn)行內(nèi)部寫數(shù)據(jù)指針定位；第三步進(jìn)行寫顯示代碼數(shù)據(jù)。在以上三步中，關(guān)鍵的一步是第二步內(nèi)部寫數(shù)據(jù)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(tǒng)擴(kuò)展功能

由于本系統(tǒng)包含高精度的模／數(shù)轉(zhuǎn)換，可在軟件設(shè)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。