基于單片機控制的頻率特征測試儀設(shè)計

一個系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)的幅頻特性。他可以測量被測網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率、帶寬、帶外衰減、增益等，是電子領(lǐng)域的常用設(shè)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(shù)字式頻率特性測試儀。

2 總體設(shè)計

　　單片機控制信號源產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波，輸入到被測網(wǎng)絡(luò)；被測網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(shè)計

　　掃頻信號發(fā)生器是頻率特性測試儀的核心，他提供被測網(wǎng)絡(luò)輸入所需的頻率隨時間在一定范圍內(nèi)周期變化的正弦信號。掃頻信號產(chǎn)生的方法有鎖相環(huán)(PLL)及可預(yù)置分頻器、單片集成波形發(fā)生器、專用頻率合成器件及直接數(shù)字頻率合成(DDS)電路等。本系統(tǒng)采用單片機控制，利用EDA技術(shù)，選用系統(tǒng)可編程邏輯器件ispCPLD芯片，構(gòu)成直接數(shù)字頻率合成器(DDS)來產(chǎn)生掃描正弦波。

　　直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Frequency Synthe-sis，DDS)是一種純數(shù)字化方法。因為DDS具有超高速的頻率轉(zhuǎn)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(diào)頻時，DDS器件能夠保持相位的連續(xù)，因此很容易實現(xiàn)頻率、相位和幅度調(diào)制，此外DDS還具有可編程控制的突出優(yōu)點。DDS主要由相位累加器、正弦ROM表和數(shù)模轉(zhuǎn)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(dāng)相位增量為1，累加器的字寬為32位時，輸出地址對應(yīng)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(shù)查詢表，對應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)的幅度編碼輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D／A)，把數(shù)字量轉(zhuǎn)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(shù)字量存入ROM中，然后按一定的地址間隔(相位增量)讀出，并經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器形成模擬正弦信號，再經(jīng)低通濾波器得到質(zhì)量較好的正弦信號。

　　信號發(fā)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(shù)，M為相位累加器的增量(步長)。

　　本設(shè)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(zhǔn)確地實現(xiàn)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(tǒng)時鐘，clkin為DDS的輸入?yún)⒖紩r鐘頻率，N為頻率寄存器的位數(shù)，M為相位偏移寄存器的位數(shù)。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(shù)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(shù)決定，幅度分辨率由D／A轉(zhuǎn)換器的精度決定。