频率特性测量仪.docVIP

频率特性测试仪 作者：李知周 张辉全 杨光义 赛前及文稿指导老师：黄根春 摘 要 本系统由数字式移相信号发生器、相位测量仪、移相网络、阻容双T网络、扫频信号源和键盘显示等部分组成。其中，数字式移相信号发生器基于DDS原理，产生双路输出；相位测量部分采用脉冲记数法测量相位；频率测量采用等精度测量法；扫频部分通过控制频率控制字K产生扫频信号，从而得到阻容双T网络的频率特性（包括幅频特性和相频特性）；系统还能做到LCD显示和示波器显示，人机界面友好。 本设计以单片机（AT89S52）+FPGA作为控制核心，将两者有机结合，充分发挥了两者的性能。由FPGA来产生产生正弦波，具有产生信号频率准确，分辨率高，电路可靠等特点；由单片机进行数据处理和键盘显示。这样做可使电路大为简化，不仅能够充分发挥大规模可编程逻辑器件的特点和优势，而且测量的稳定性大大提高。 目录: 一、方案论证与选择 3 1、 数字式移相信号发生器 3 2、 相位测量仪 4 3、 频率测量 5 4、 幅度测量 6 5、 频率特性测量 6 二、系统实现和理论分析 7 1、 系统总体框图 7 2、 移相网络理论分析与计算 7 3、 DDS相关计算 8 4、 相位测量相关计算 9 5、 双T网络参数计算 10 6、 幅度对相位的影响 12 三、 主要功能电路的设计 12 1、数字式移相信号发生部分 12 2、相位测量部分： 13 3、频率测量部分 16 4、幅度测量部分 16 5、阻容双T网络 17 6、扫频信号输出部分 17 7、示波器显示部分 18 四、 系统软件的设计 19 1、软件设计指导思想 19 2、软件完成的功能 19 3、流程图 20 五、 测试数据与分析 20 1、测量仪器及型号 20 2、测量数据 20 3、误差分析 23 六、 总结分析与结论 23 一、方案论证与选择 数字式移相信号发生器 方案一：单片函数发生器；利用单片函数发生器配合外部分立元件输出频率，通过调整外部元件可改变输出频率，但发生器输出频率稳定度差、精度低、抗干扰能力低、灵活性差，成本也高。故不采用。 方案二：锁相频率合成；数字锁相频率合成器的基本原理框图如图1： 通过改变程序分频器的分频比，则可改变压控振荡器的输出频率fo，从而获得大量可供利用的频率稳定度等同于参考频率的频率点，这里输出频率fo只能以参考频率fr为步长进行变化。为能得到较多的频率点，一是降低参考频率fr的值，但锁相环路本身特性决定，某点频率达到稳定所需的时间为参考频率对应周期的25倍，fr的降低会增加稳定所需的时间。二是增加程序分频器的分频系数，但分频系数太大时电路上难以实现。故不采用。 方案三：数字频率合成（DDS）；DDS的基本原理框图如图2： 图2 DDS原理框图 其基本原理是：根据定频信号的相位变化与时间呈线性关系，相位变化率为常数且不同频率信号的相位变化率也不同的特性，设计相位累加器实现频率合成，不同的频率对应不同的相位累加步进量。在系统时钟频率的推动下，相位累加器通过存储器中预存的波形查表，得到输出频率的离散化振幅值；经过 DAC 数模变换以后得到连续的量化振幅量，再经过低通滤波器 LPF得到所需频率的模拟信号。 利用相位累加器产生正弦波的过程如下：每个系统时钟到来，相位累加器值便按照频率控制字 K 的长度被增加一次，所得的相位值被输出至正弦查找表，查找表将相位信息转化为相应的正弦幅度值。再经过数模转换器得到相应的阶梯波，最后经过低通滤波器对阶梯波进行平滑，即得到连续变化的模拟输出波形。在系统时钟频率（）和相位累加器位数一定的情况下，输出波形频率由频率控制字 K 决定。 具体实现过程是：将输出波形的一个完整周期幅度值按相位步进顺序量化存储于 EEPROM 中，利用相位累加技术生成地址查询高速存储器中存储的波形幅值，再以均匀速率把这些样本输出到数模转换器变换成模拟信号，由一个周期输出样本个数决定输出频率的大小。 DDS可以高精度与高纯度的频率信号，它的优点是：理论上只要累加器的位数足够多，可以实现任意小的频率步进。频率分辨率很高，离散输出已十分接近连续变化。对相位累加器预置累加初值可以很方便地实现精密相位调节。 鉴于以上分析，我们采用方案三。 相位测量仪 方案一：相位-电压转化法；两个频率相同，相位不同被测正弦信号，经限幅放大和脉冲整形后变成两个方波，在经微分得到两个对应被测信号负向过零瞬间的尖脉冲，利用非饱和型高速双稳态电路被这两组负脉冲所触发，输出周期为T、宽度为TX的方波，若方波幅度为Ug，则此方波的平均值即直流分量为： 因此，用低通滤波器将方波中的基波和谐波分量全部滤除后，输出电压即直流电压。上式中T为被测信号的周期，