1、 引 言

頻率特性是一個系統(tǒng)（或元件）對不同頻率正弦輸入信號的響應(yīng)特性。如圖1所示，被測系統(tǒng)輸入幅值為Ar、角頻率為ω的正弦信號，如果該系統(tǒng)是線性的，則其穩(wěn)態(tài)輸出也是正弦信號，頻率ω不變，幅值為Ac，相角差為φ。改變ω可以得到一系列輸入和輸出數(shù)據(jù)。輸出對輸入的幅值比A（ω）=Ac／Ar與ω的關(guān)系曲線稱為該系統(tǒng)的幅頻特性，通常取20 lg A（ω）稱為對數(shù)幅頻特性。輸出對輸入的相角差φ（ω）與ω的關(guān)系曲線稱為該系統(tǒng)的相頻特性。幅頻特性和相頻特性綜合稱為頻率特性，常用的是系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性即波特圖。

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(jì)了此數(shù)字式頻率特性測試儀。

2、 總體設(shè)計(jì)

單片機(jī)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(jī)進(jìn)行處理；單片機(jī)處理后的結(jié)果一方面提供給LED實(shí)時顯示，另一方面存人存儲器，供示波器顯示幅頻、相頻曲線。總框斟如圖2所示。

2.1 掃頻信號源的設(shè)計(jì)

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(jī)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?yàn)镈DS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(shí)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(diǎn)。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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(jì)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(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)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。

2.2 幅頻和相頻特性設(shè)計(jì)

幅頻特性測試電路由峰值檢波器和D／A轉(zhuǎn)換器組成。峰值檢波器由“運(yùn)放”和檢波二極管構(gòu)成。如圖3所示。他將被測網(wǎng)絡(luò)的輸出信號峰值檢出來（代表網(wǎng)絡(luò)幅頻規(guī)律），送往8位ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)字化后再送單片機(jī)AT89C51進(jìn)行處理。

幅頻特征測試中常用的檢波方式有峰值檢波和有效值檢波。但由于有效值檢波無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的500 Hz～10 kHz頻率變化范圍，所以采用峰值檢波。利用有源峰值檢波器實(shí)現(xiàn)峰值測量，峰值檢波器將被測網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出信號的峰值檢出，再送至A／D轉(zhuǎn)換器完成量化。實(shí)際上，由于信號源的D／A及低通濾波器的特性能保證在100 Hz～100 kHz范圍內(nèi)的幅值保持不變，所以可以省去一路峰值檢波器及A／D，而只采集被測網(wǎng)絡(luò)的輸出信號。

相頻特性測試電路（框圖如圖4）由兩個過零比較器、鑒相器、低通濾波器和A／D轉(zhuǎn)換器組成。兩個比較器由“運(yùn)放”構(gòu)成過零信號比較器，分別將被測網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出正弦信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

鑒相器采用ETESTER實(shí)現(xiàn)。鑒相出被測網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出信號的相位差信號，經(jīng)過低通濾波器濾波得到被測網(wǎng)絡(luò)的相移信號，送至ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再送到單片機(jī)進(jìn)行處理。由鑒相器輸出的脈沖信號的占空比與這兩路信號的相位差成正比，即：

相位差=N1／（N1+N2）×360°

其中N1是高電平脈寬時間內(nèi)的計(jì)數(shù)值，N2是低電平脈寬時間內(nèi)的計(jì)數(shù)值。兩路同頻率不同相位的時鐘信號PA和PB通過鑒相器epd后，將輸出一路具有不同占空比的脈沖波形。其頻率與輸入頻率相同，而占空比與PA和PB信號上升沿的時間有關(guān)。epd的脈寬等于PB和PA信號上升沿的時間差，這個時間差即為PB，他正好等于epd的占空比乘以360°。

2.3 頻率特征的顯示和打印

頻率特性測試儀設(shè)計(jì)中包含兩種顯示方式，一種為LED顯示數(shù)值，并可打印輸出；另一種為用示波器顯示頻率特性曲線。我們參考的打印方式是在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個RS 232串行口，利用MCU的串口功能實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)AT89C51通訊，利用PC機(jī)的打印控制功能完成打印。

一般的示波器是輸入模擬電壓信號，即要將已經(jīng)測量得到的幅頻特性和相頻特性數(shù)據(jù)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換為模擬電壓量。因?yàn)槭褂脝瓮ǖ朗静ㄆ黠@示幅頻和相頻兩條曲線，所以可以使兩條曲線分時顯示在屏上的不同位置。為了便于觀察，當(dāng)輸出幅頻特性數(shù)據(jù)顯示在屏幕上方時，可在D／A的輸出相迭加一個正電壓，由于示波器的掃描速度很快，相頻看起來和幅頻兩條曲線同時顯示在屏幕上。

3 、結(jié)語

該系統(tǒng)體積較小，由于選用的單片機(jī)是AT89C51，且單片機(jī)系統(tǒng)的程序較短，所以無需擴(kuò)展EPROM和RAM。另外，由于使用了DDS集成電路來產(chǎn)生掃頻信號，所以掃頻信號的質(zhì)量高，掃頻范圍較寬。但是，因?yàn)樵撓到y(tǒng)使用的是點(diǎn)頻法測量網(wǎng)絡(luò)的頻率特性，系統(tǒng)測繪時間略長。若要提高系統(tǒng)的掃頻范圍，可用輸出頻率更高的DDS器件。

實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，顯示打印的幅頻特征曲線與傳統(tǒng)掃頻儀所測得的曲線相符，繪制的頻率特性圖與理論一致。軟件的操作使用和圖形數(shù)據(jù)的處理非常方便，整個儀器的使用非常簡單，是模擬式掃頻儀無法相比的。

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