介紹了基于單片機控制的幅頻特性測試儀，用于測量有源、無源網絡的幅頻特性。文中重點闡述了測試儀的信號發生、數據采集及液晶顯示技術。
???? 關鍵詞：幅頻特性，單片機，頻率合成，液晶顯示

1 引 言
　　電子測量中經常遇到的就是對網絡的阻抗和傳輸特性的測量。幅頻特性就是重要的傳輸特性。最初，這些網絡參數的測試是在固定頻率點上逐點進行的，這種測試方法繁瑣、費時，且不直觀，有時因取點有誤還會得出片面的結果〔1〕。而專用測試工具大致可分為兩類：一類是傳統設備，如國產的BT4〔2〕型低頻特性測試儀，BT4存在設備體積大，易有故障，并且操作復雜等缺點，難以滿足尤其是現場自動測試的要求；另一類是采用集數據采集和運算功能于一體的大規模新型芯片技術制造的測試儀，一般為進口產品，但其存在結構復雜，維護困難，價格昂貴等缺點。
　　隨著單片微處理器技術的發展，其智能測試功能已在很多智能儀表中得到了廣泛的應用，因此，用單片機的軟件來代替部分硬件完成頻率特性的測試，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，設計出重量輕、體積小、顯示直觀、操作方便的便攜式低頻幅頻特性測試儀。
2　測試原理
　　當系統的輸入為正弦信號時，則輸出的穩態響應也是一個正弦信號，其頻率和輸入信號的頻率相同，但幅度和相位發生了變化，而變化取決于角頻率ω。若把輸出的穩態響應和輸入正弦信號用復數表示，并求它們的復數比，則得
　
G（jω）稱為頻率特性，A（ω）是輸出信號的幅值與輸入信號幅值之比，稱為幅頻特性。Φ（ω）是輸出信號的相角與輸入信號的相角之差，稱為相頻特性。其中，幅頻特性是一個網絡的重要傳輸特性，所以，本文只探討幅頻特性參數的測試。
　　在實際測量中，用一個隨著時間按一定規律，并在一定頻率范圍內掃動的信號代替以往的固定頻率信號，就可以對被測網絡進行快速、定性或定量的動態測量，給出被測網絡的阻抗特性和傳輸特性的實時測量結果。測量原理見圖1。

　　本儀器的主要功能和指標如下：掃頻范圍為1Hz～120kHz；幅值范圍為0V～5V連續可變；步長設定為通過鍵盤可任意設定（1、2、3…n）頻率間隔，實現線性增長；顯示方式為，選用128×128圖形點陣液晶顯示模塊，顯示漢字、字母、數字、圖形；參數設定為，通過軟、硬件結合，可實現掃頻信號頻率的上限、下限、步長及顯示畫面設定；通訊功能為，通過MAX3232C模塊進行電平轉換，可實現與微機的數據通訊。
3　硬件電路
　　根據便攜式幅頻特性測試儀的特點，在設計時主要考慮結構的輕便、省電，輸出的測試信號精確、可控，能自動進行數據采集，數據處理準確而快速，以及顯示直觀等方面。主控采用了Atmel公司的89C52單片機。此系列單片機已有許多成功的應用，技術成熟，片內集成了4K字節EEPROM程序存儲器，不需外擴程序存儲器，保證了系統運行的穩定性。當測試儀現場完成對被測網絡的測試后，數據保存在非易失性存儲芯片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，可保存數據十年。當需要對數據進行進一步分析、研究時，系統結構框圖可通過串口將數據存儲器中的數據傳輸給系統微機，使得測試儀更方便實用。該系統的結構框圖見圖2。

3．1　信號發生電路
　　具有一個標準的掃頻信號是幅頻特性測試儀實現準確測試的關鍵。所以，掃動的正弦信號采用頻率合成的方式產生，其頻率的穩定度可達到10－8，并且容易實現自動掃頻功能。其硬件電路的組成見圖3。
　　首先采用CD4060芯片及晶振產生一個基準頻率fi（fi＝128Hz），作為二進制加計數器HC4520的計數脈沖，HC4520的輸出作為2764的地址信號，由2764數據輸出端輸出已存儲的數據。這樣，每經過128Hz就從2764的數據端輸出一個由128點組成的、頻率為1Hz的數字正弦波。再經過DAC0832芯片數／模轉換后得到一個波形完美、頻率穩定的模擬正弦波。當fi經過集成鎖相環CD4046及可編程分頻器8253組成的電路倍頻后，就會得到fo（fo＝N×fi），N為分頻系數。當fo的頻率超過1MHz時，應換用74HC4046高速鎖相環，最終得到一系列連續可變的模擬正弦波，即掃頻信號。為了適合對無源和有源網絡的分別測試，幅度控制電路將P0口送出的00H～0FFH數字量經U2數／模轉換后，輸出0V～5V程控電壓，用此電壓作為U1－DAC0832的基準電壓，來實現掃頻信號的幅度調節。單片微處理器僅需由P0口分別送出掃頻信號的分頻值和幅度值，信號的產生均由硬件完成，這樣，CPU可有更多時間去對采集的數據進行處理，以及實現對被測網絡幅頻特性曲線的顯示功能等。

3．2　數據采集和處理電路
　　被測網絡的輸出信號經過真有效值轉換芯片轉換后，接到A／D轉換芯片ADC0809的輸入端，轉換后的數據由P0口送入微處理器，進行數據的計算、存儲、顯示。AD637（見中國電子資源網http：／／www．chinadz．com）是高精度單片TRMS／DC轉換器，可以計算各種
復雜波形的真有效值，其誤差低、頻帶寬（可達8MHz）。但AD637的輸入阻抗低（僅為8kΩ），所以，輸入端應采用一級跟隨器進行阻抗變換。數據讀入后按順序存入數據存儲器DS1225中保存。存儲器的內容是經過有效值轉換及A／D轉換后的數據（00H～FFH），而存儲器的地址就代表存儲數據的頻率值。
3．3　數據存儲及顯示電路
　　設計時考慮到便攜式測試儀需要省電這一特點，應該在現場測試完后就將電源關掉。以后，為了能對采集數據進行進一步的分析和研究，數據應具有掉電保存功能。所以，存儲器選用了非易失性的存儲器。通過比較測試，選用了Dallas公司的DSl225芯片，其內部有鋰電池，能對存儲器供電，存儲容量為8K字節。這樣既可解決掉電存儲問題，又能保存對一個被測網絡所采集的所有數據。
　　顯示器采用圖形點陣液晶模塊——亞世光公司的YM128128－01，共有橫坐標128點，縱坐標128點，組成128×128的點陣顯示屏。從數據存儲器中取出的數據經過除法子程序的處理（除以2然后取整）作為縱坐標的值。存儲數據的地址作為橫坐標的值，這樣就可確定該點在顯示屏上的位置。曲線的顯示形式可分為粗顯和精顯，粗顯就是在橫坐標共128點上顯示出全部數據存儲區中（0000H～1FFFH）8K字節的數據，從存儲器中每隔63（3FH）點取一個數據作為縱坐標的值。如果要得到精確顯示，則可根據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點的幅頻特性曲線，通過指示線的左右移動，在屏幕的下方實時顯示出指示點的頻率和幅值，實現精確測量。
3．4　通訊電路
　　采集的數據通過串口完成通訊。采用Maxim公司的MAX232（見http：／／www．maxim－ic．com）實現電平的轉換。單＋5V電源，產生RS232標準電平，實現　　與系統微機的串口通訊。
4　軟件設計
　　為使各部分硬件電路按一定順序進行工作，在89C52的程序存儲器內固化了用匯編語言編寫的應用程序。其中有程序初始化，正弦信號分頻子程序，正弦信號幅度控制子程序，數據采集子程序，信號處理子程序，鍵值處理子程序，顯示畫面子程序等。程序框圖見圖4。

5　測量結果
??? 電路圖如圖5所示，一個中心頻率為5kHz的無源雙T網絡，使用本儀器測試，所得測試結果見圖6。

　　該儀器經過一年多在實驗室及研究所的應用，基本工作情況良好，完全可以替代原低頻特性測試儀BT4。 1　范家慶，沈祝平．掃頻測量技術．北京：電子工業出版社，1985：1
2　王曉元．掃頻儀的原理與維修．北京：人民郵電出版社，1993：226
3　孫函芳．徐愛卿．MCS－51／96系列單片機原理及應用．北京：北京航空航天大學出版社，1996
4　周航慈．單片機應用程序設計技術．北京：北京航空航天大學出版社，1991