便攜式低頻幅頻特性測(cè)試儀的研制

1 引 言
　　電子測(cè)量中經(jīng)常遇到的就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的阻抗和傳輸特性的測(cè)量。幅頻特性就是重要的傳輸特性。最初，這些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的測(cè)試是在固定頻率點(diǎn)上逐點(diǎn)進(jìn)行的，這種測(cè)試方法繁瑣、費(fèi)時(shí)，且不直觀，有時(shí)因取點(diǎn)有誤還會(huì)得出片面的結(jié)果〔1〕。而專用測(cè)試工具大致可分為兩類：一類是傳統(tǒng)設(shè)備，如國(guó)產(chǎn)的BT4〔2〕型低頻特性測(cè)試儀，BT4存在設(shè)備體積大，易有故障，并且操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，難以滿足尤其是現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試的要求；另一類是采用集數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算功能于一體的大規(guī)模新型芯片技術(shù)制造的測(cè)試儀，一般為進(jìn)口產(chǎn)品，但其存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。
　　隨著單片微處理器技術(shù)的發(fā)展，其智能測(cè)試功能已在很多智能儀表中得到了廣泛的應(yīng)用，因此，用單片機(jī)的軟件來代替部分硬件完成頻率特性的測(cè)試，便成為一種比較理想而有效的途徑。本文采用單片微處理器為核心，設(shè)計(jì)出重量輕、體積小、顯示直觀、操作方便的便攜式低頻幅頻特性測(cè)試儀。
2　測(cè)試原理
　　當(dāng)系統(tǒng)的輸入為正弦信號(hào)時(shí)，則輸出的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)也是一個(gè)正弦信號(hào)，其頻率和輸入信號(hào)的頻率相同，但幅度和相位發(fā)生了變化，而變化取決于角頻率ω。若把輸出的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和輸入正弦信號(hào)用復(fù)數(shù)表示，并求它們的復(fù)數(shù)比，則得
　
G（jω）稱為頻率特性，A（ω）是輸出信號(hào)的幅值與輸入信號(hào)幅值之比，稱為幅頻特性。Φ（ω）是輸出信號(hào)的相角與輸入信號(hào)的相角之差，稱為相頻特性。其中，幅頻特性是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的重要傳輸特性，所以，本文只探討幅頻特性參數(shù)的測(cè)試。
　　在實(shí)際測(cè)量中，用一個(gè)隨著時(shí)間按一定規(guī)律，并在一定頻率范圍內(nèi)掃動(dòng)的信號(hào)代替以往的固定頻率信號(hào)，就可以對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速、定性或定量的動(dòng)態(tài)測(cè)量，給出被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性和傳輸特性的實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果。測(cè)量原理見圖1。

　　本儀器的主要功能和指標(biāo)如下：掃頻范圍為1Hz～120kHz；幅值范圍為0V～5V連續(xù)可變；步長(zhǎng)設(shè)定為通過鍵盤可任意設(shè)定（1、2、3…n）頻率間隔，實(shí)現(xiàn)線性增長(zhǎng)；顯示方式為，選用128×128圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，顯示漢字、字母、數(shù)字、圖形；參數(shù)設(shè)定為，通過軟、硬件結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)掃頻信號(hào)頻率的上限、下限、步長(zhǎng)及顯示畫面設(shè)定；通訊功能為，通過MAX3232C模塊進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)與微機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。
3　硬件電路
　　根據(jù)便攜式幅頻特性測(cè)試儀的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮結(jié)構(gòu)的輕便、省電，輸出的測(cè)試信號(hào)精確、可控，能自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確而快速，以及顯示直觀等方面。主控采用了Atmel公司的89C52單片機(jī)。此系列單片機(jī)已有許多成功的應(yīng)用，技術(shù)成熟，片內(nèi)集成了4K字節(jié)EEPROM程序存儲(chǔ)器，不需外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。當(dāng)測(cè)試儀現(xiàn)場(chǎng)完成對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試后，數(shù)據(jù)保存在非易失性存儲(chǔ)芯片DS1225（見http：／／www．maxim－ic．com）中，該芯片為帶鋰電池的EEPROM，在失電的情況下，可保存數(shù)據(jù)十年。當(dāng)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析、研究時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可通過串口將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)微機(jī)，使得測(cè)試儀更方便實(shí)用。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

3．1　信號(hào)發(fā)生電路
　　具有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的掃頻信號(hào)是幅頻特性測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)試的關(guān)鍵。所以，掃動(dòng)的正弦信號(hào)采用頻率合成的方式產(chǎn)生，其頻率的穩(wěn)定度可達(dá)到10－8，并且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃頻功能。其硬件電路的組成見圖3。
　　首先采用CD4060芯片及晶振產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)頻率fi（fi＝128Hz），作為二進(jìn)制加計(jì)數(shù)器HC4520的計(jì)數(shù)脈沖，HC4520的輸出作為2764的地址信號(hào)，由2764數(shù)據(jù)輸出端輸出已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。這樣，每經(jīng)過128Hz就從2764的數(shù)據(jù)端輸出一個(gè)由128點(diǎn)組成的、頻率為1Hz的數(shù)字正弦波。再經(jīng)過DAC0832芯片數(shù)／模轉(zhuǎn)換后得到一個(gè)波形完美、頻率穩(wěn)定的模擬正弦波。當(dāng)fi經(jīng)過集成鎖相環(huán)CD4046及可編程分頻器8253組成的電路倍頻后，就會(huì)得到fo（fo＝N×fi），N為分頻系數(shù)。當(dāng)fo的頻率超過1MHz時(shí)，應(yīng)換用74HC4046高速鎖相環(huán)，最終得到一系列連續(xù)可變的模擬正弦波，即掃頻信號(hào)。為了適合對(duì)無源和有源網(wǎng)絡(luò)的分別測(cè)試，幅度控制電路將P0口送出的00H～0FFH數(shù)字量經(jīng)U2數(shù)／模轉(zhuǎn)換后，輸出0V～5V程控電壓，用此電壓作為U1－DAC0832的基準(zhǔn)電壓，來實(shí)現(xiàn)掃頻信號(hào)的幅度調(diào)節(jié)。單片微處理器僅需由P0口分別送出掃頻信號(hào)的分頻值和幅度值，信號(hào)的產(chǎn)生均由硬件完成，這樣，CPU可有更多時(shí)間去對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)幅頻特性曲線的顯示功能等。

3．2　數(shù)據(jù)采集和處理電路
　　被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后，接到A／D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809的輸入端，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由P0口送入微處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示。AD637（見中國(guó)電子資源網(wǎng)http：／／www．chinadz．com）是高精度單片TRMS／DC轉(zhuǎn)換器，可以計(jì)算各種
復(fù)雜波形的真有效值，其誤差低、頻帶寬（可達(dá)8MHz）。但AD637的輸入阻抗低（僅為8kΩ），所以，輸入端應(yīng)采用一級(jí)跟隨器進(jìn)行阻抗變換。數(shù)據(jù)讀入后按順序存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器DS1225中保存。存儲(chǔ)器的內(nèi)容是經(jīng)過有效值轉(zhuǎn)換及A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)（00H～FFH），而存儲(chǔ)器的地址就代表存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的頻率值。
3．3　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示電路
　　設(shè)計(jì)時(shí)考慮到便攜式測(cè)試儀需要省電這一特點(diǎn)，應(yīng)該在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試完后就將電源關(guān)掉。以后，為了能對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和研究，數(shù)據(jù)應(yīng)具有掉電保存功能。所以，存儲(chǔ)器選用了非易失性的存儲(chǔ)器。通過比較測(cè)試，選用了Dallas公司的DSl225芯片，其內(nèi)部有鋰電池，能對(duì)存儲(chǔ)器供電，存儲(chǔ)容量為8K字節(jié)。這樣既可解決掉電存儲(chǔ)問題，又能保存對(duì)一個(gè)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)所采集的所有數(shù)據(jù)。
　　顯示器采用圖形點(diǎn)陣液晶模塊——亞世光公司的YM128128－01，共有橫坐標(biāo)128點(diǎn)，縱坐標(biāo)128點(diǎn)，組成128×128的點(diǎn)陣顯示屏。從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中取出的數(shù)據(jù)經(jīng)過除法子程序的處理（除以2然后取整）作為縱坐標(biāo)的值。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的地址作為橫坐標(biāo)的值，這樣就可確定該點(diǎn)在顯示屏上的位置。曲線的顯示形式可分為粗顯和精顯，粗顯就是在橫坐標(biāo)共128點(diǎn)上顯示出全部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中（0000H～1FFFH）8K字節(jié)的數(shù)據(jù)，從存儲(chǔ)器中每隔63（3FH）點(diǎn)取一個(gè)數(shù)據(jù)作為縱坐標(biāo)的值。如果要得到精確顯示，則可根據(jù)需要從鍵盤輸入將要顯示頻段的上／下限頻率值，每屏顯示128點(diǎn)的幅頻特性曲線，通過指示線的左右移動(dòng)，在屏幕的下方實(shí)時(shí)顯示出指示點(diǎn)的頻率和幅值，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。
3．4　通訊電路
　　采集的數(shù)據(jù)通過串口完成通訊。采用Maxim公司的MAX232（見http：／／www．maxim－ic．com）實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。單＋5V電源，產(chǎn)生RS232標(biāo)準(zhǔn)電平，實(shí)現(xiàn)　　與系統(tǒng)微機(jī)的串口通訊。
4　軟件設(shè)計(jì)
　　為使各部分硬件電路按一定順序進(jìn)行工作，在89C52的程序存儲(chǔ)器內(nèi)固化了用匯編語言編寫的應(yīng)用程序。其中有程序初始化，正弦信號(hào)分頻子程序，正弦信號(hào)幅度控制子程序，數(shù)據(jù)采集子程序，信號(hào)處理子程序，鍵值處理子程序，顯示畫面子程序等。程序框圖見圖4。

5　測(cè)量結(jié)果
電路圖如圖5所示，一個(gè)中心頻率為5kHz的無源雙T網(wǎng)絡(luò)，使用本儀器測(cè)試，所得測(cè)試結(jié)果見圖6。