CN205506977U - 一种基于单片机控制的数字频率特性测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型为一种基于单片机控制的数字频率特性测试装置，该装置的组成包括正交扫频信号源模块、乘法电路模块、低通滤波模块、ADC模块和控制显示模块；其中，正交扫频信号源模块包括正交扫频信号源、七阶椭圆滤波电路和放大电路；乘法电路模块包括第一乘法器和第二乘法器；低通滤波模块包括第一低通滤波电路、第二低通滤波电路；ADC模块包括第一程控增益放大电路、第二程控增益放大电路和模数转换电路；控制显示模块包括单片机、LCD显示屏。本实用新型克服了现有的装置中存在的测量范围小，测量的误差大和精度低的缺点，具有显著的进步性。
Description
技术领域
本实用新型涉及数字频率特性测量技术领域，具体地说是涉及基于单片机控制的一种幅频特性和相频特性测量装置。
背景技术
为测定未知系统的频率特性，通常采用扫频的方法：让不同频率的标准正弦信号通过待测系统，通过记录和比较输入、输出波形的幅度相位关系，得到系统的幅频和相频特性，即扫频仪。模拟式扫频仪价格昂贵，体积庞大，操作复杂，给使用者带来诸多不便，已经逐渐不能满足用户的要求。数字式频率特性测试仪已经逐渐代替模拟式扫频仪成为研究和设计的方向。数字频率特性测试装置主要由正交扫频信号源模块、乘法电路模块、低通滤波模块、ADC模数转换模块、控制系统模块组成。
正交扫频信号源可以采用FPGA现场可编程门阵列方式，以单片机和FPGA为核心，用DDS直接数字式频率合成器原理采用由FPGA经D/A转换产生频率由单片机控制的正弦波扫频信号；但FPGA方式在工作频率很高的情况下，FPGA内部时延的不确定性使得FPGA内部时序的设计和调试相当困难。其次，可以采用程控数字锁相环频率合成，首先通过频率合成技术产生所需要频率的方波，通过积分电路就可以得到同频率的三角波，再经过滤波器就可以得到正弦波；这种方法可以达到很高的工作频率和频率分辨率，但使用的滤波器要求通带可变，实现起来困难。
申请号为201220421411.4的实用新型专利是基于SOPC的频率特性测试装置，能够实现在1Hz～25MHz内连续扫频，但科技发展迅速，不满足更高频的频率特性测试。申请号为201320771567.X的实用新型专利是基于正交调制原理的频率特性测试仪，采用单片机内的模块直接进行模数转换，因乘法器采用AD835电压输出模拟乘法器芯片，输出信号在1V以内，使模数转换的误差较大。
因此，我们迫切需要一种新的频率特性测试装置，以准确测量待测网络的幅频特性。
实用新型内容
本实用新型针对现有装置的不足，提供一种基于单片机最小控制的数字频率特性测试装置。本装置是根据零中频正交解调原理，设计一个双端口网络数字频率特性测试装置，能够测试幅频特性和相频特性，可实现点频和扫频两种测量模式。其中采用单片机与DDS专用芯片构成正交扫频信号源，正交扫频信号源可实现1MHz～40MHz的频率范围，且输出信号的幅度平坦度在5％以内。为了增大正交扫频信号源输出信号幅度，增加了放大电路,提高输入阻抗，起到一定阻抗匹配的作用，使得系统高效运行。在ADC模块中,为了减小AD采集误差，添加了由PGA204可编程增益放大器组成的程控增益放大电路,提高了系统的测量精度。
本实用新型的解决方案是：
一种基于单片机控制的数字频率特性测试装置，该装置的组成包括正交扫频信号源模块、乘法电路模块、低通滤波模块、ADC模块和控制显示模块；
其中，正交扫频信号源模块包括正交扫频信号源、七阶椭圆滤波电路和放大电路，三个部分顺次连接；
乘法电路模块包括第一乘法器和第二乘法器，两个乘法器相同，各自独立；
低通滤波模块包括第一低通滤波电路、第二低通滤波电路，两个低通滤波电路相同，各自独立；
ADC模块包括第一程控增益放大电路、第二程控增益放大电路和模数转换电路，两个程控增益放大电路相同，各自独立；
控制显示模块包括单片机和LCD显示屏；
其中,放大电路分别与第一乘法器、第二乘法器连接，第一乘法器、第一低通滤波电路、第一程控增益放大电路顺次连接，第二乘法器、第二低通滤波电路、第二程控增益放大电路顺次连接，第一程控增益放大电路、第二程控增益放大电路分别与模数转换电路连接，单片机分别与正交扫频信号源、第一程控增益放大电路、第二程控增益放大电路、模数转换电路、LCD显示屏连接。
所述的正交扫频信号源为AD9854数字合成器；放大电路为AD8009超高速电流反馈型放大器；单片机的型号为STM32F103ZET6；低通滤波电路为LM358双运算放大器；程控增益放大电路为PGA204可编程增益放大器；模数转换电路为AD7689模数转换器。
本实用新型的有益效果为：克服了现有的测量范围小，测量的误差大和精度低的缺点，具有显著的进步性，具体体现在以下方面：
(1)采用STM32单片机最小系统与DDS专用芯片构成正交扫频信号源，电路中AD9854采用30MHz有源晶振作为参考时钟。在一个精确的时钟源的控制下，它可以产生频谱较纯、频率—相位—幅度可编程的正余弦信号，这个正余弦信号可以实现1MHz～40MHz的频率范围,且输出信号的幅度平坦度在5％以内。
(2)为了增大信号源输出信号幅度，增加了基于AD8009的放大电路，提高输入阻抗，起到一定阻抗匹配的作用，使得系统高效运行。
(3)为了减小AD采集误差，在ADC模块中添加了由PGA204组成的程控增益放大电路，提高了系统的测量精度。
附图说明
图1为本实用新型所述的基于单片机控制的数字频率特性测试装置结构图；
其中，1-正交扫频信号源模块；2-乘法电路模块；3-低通滤波模块；4-ADC模块；5-控制显示模块；101-正交扫频信号源；102-七阶椭圆滤波电路；103-放大电路；201-第一乘法器；202-第二乘法器；301-第一低通滤波电路；302-第二低通滤波电路；401-第一程控增益放大电路；402-第二程控增益放大电路；403-模数转换电路；501-单片机；502-LCD显示屏.
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明。
如图1，本实用新型所述的基于单片机控制的数字频率特性测试装置是基于零中频正交解调原理的数字频率特性测试装置，该装置的组成包括正交扫频信号源模块1、乘法电路模块2、低通滤波模块3、ADC模块4和控制显示模块5。
如图1，详细的说明了本实用新型的各部分的连接关系及其具体实现方式，其中，
正交扫频信号源模块1包括正交扫频信号源101(型号为AD9854数字合成器)、七阶椭圆滤波电路102和放大电路103(型号为AD8009超高速电流反馈型放大器)，三个部分顺次连接；
乘法电路模块2包括第一乘法器201和第二乘法器202，两个乘法器相同，各自独立，型号为AD835模拟乘法器；
低通滤波模块3包括第一低通滤波电路301、第二低通滤波电路302，两个低通滤波电路相同，各自独立，型号为LM358双运算放大器；
ADC模块4包括第一程控增益放大电路401、第二程控增益放大电路402以及模数转换电路403(型号为AD7689模数转换器)，两个程控增益放大电路相同，各自独立，型号为PGA204可编程增益放大器；
控制显示模块5包括单片机501(型号为STM32F103ZET6)和LCD显示屏502；
其中,放大电路103分别与第一乘法器201、第二乘法器202连接，第一乘法器201、第一低通滤波电路301、第一程控增益放大电路401顺次连接，第二乘法器202、第二低通滤波电路302、第二程控增益放大电路402顺次连接，第一程控增益放大电路401、第二程控增益放大电路402分别与模数转换电路403连接，单片机501分别与正交扫频信号源101、第一程控增益放大电路401、第二程控增益放大电路402、模数转换电路403、LCD显示屏502连接。
测试时，被测网络的输入端与放大电路103的余弦信号输出端连接，被测网络的输出端分别与第一乘法器201、第二乘法器202的输入端连接。
本实用新型以单片机501为主要控制中心，频率特性的测试方式有点频测量模式和扫频测量模式。因为正交扫频信号源101的频率范围设定在1MHz-40MHz，因此需要正交扫频信号源101产生的本征频率的正弦波要有很宽的频带范围，而在较宽的频带内，信号的幅度会有所衰减。为了使数字频率特性测试装置的本征频率正弦波的幅度保持一致，因此需要测量输入激励信号和输出信号的幅度的比值，采用软件控制不同频率输入信号的幅度，使输出信号幅度平坦度在5％以内。
上述正交扫频信号源模块1中正交扫频信号源101采用30MHz有源晶振作为参考时钟。低通滤波器采用了七阶椭圆滤波电路102，负责滤除输出信号中所含有的高频杂散信号和谐波信号。因为正交扫频信号源101输出的信号幅度不足1V，为了使信号输出大于1V，接入输出增益以提高信号的输出电压。七阶椭圆滤波电路102输出的信号通过放大电路103后，被放大了5倍，信号幅度大约能达到1.5V，同时提高了系统输入阻抗，起到一定阻抗匹配的作用，使得系统高效运行。
被放大的余弦信号分别连接第一乘法器201的一个输入端和被测网络的输入端，被测网络的输出端分别连接第一乘法器201的另一个输入端和第二乘法器202的一个输入端。被放大的正弦信号连接第二乘法器202的另一个输入端。乘法器模块2部分采用AD835芯片实现，能够产生X和Y电压输入的线性成积。下一级中的低通滤波模块3为了抑制乘法器输出的高频分量，保留直流信号，其3dB截止频率设为30Hz，采用第一低通滤波电路301和第二低通滤波电路302。前面因为经过AD835可以实现输出信号在0～1V变化，但不能满足更多信号源需求，需要将低通滤波模块3的输出信号经过下一级的放大器。放大器选择由PGA204构成的第一程控增益放大电路401和第二程控增益放大电路402实现，PGA204的放大倍数可为1，10，100，1000，放大倍数由15，16两脚的数字量A0和A1控制。其中引脚6、7的外接电位器可对输入级的失调电压进行补偿。引脚10(REF)的外接电路是用来补偿输出对输入的失调电压的。使用模数转换电路403来对第一程控增益放大电路401和第二程控增益放大电路402输出的两路电压信号进行A/D转换，模数转换电路403与单片机501间通过简单的SPI接口来配置寄存器，并处理两路信号的A/D转换结果，将被测网络的频率特性曲线在LCD显示屏502上显示输出。
本实用新型是一种基于单片机控制的数字频率特性测试装置，采用STM32单片机最小系统作为控制中心，以正交扫频信号源101作为正交扫频信号发生源，基于零中频正交解调原理得到被测网络的幅频特性和相频特性，并通过LCD显示屏502显示输出。本实用新型结构简单，成本较低，能够满足1MHz-40MHz频率范围内的需求，且信号源输出信号幅度平坦度在5％以内，实用性强。
本实用新型未述及之处适用于现有技术。
实施例1
采用点频测量模式，开机上电后，进入主菜单，选择点频测量模式，接下来设定点频测量的频率，选择开始后，正交扫频信号源输出两路正交信号，两路正交信号需要进行滤波和放大，接下来余弦信号输出端分别连接被测网络和第一乘法器201的输入端，被测网络的输出端分别连接第一乘法器201和第二乘法器202的一个输入端，正弦信号输出端连接第二乘法器202的另一个输入端。经过乘法器后，两路信号分别进行低通滤波和程控放大及模数转换，将两路信号的模数转换数据传输给单片机进行处理，经过计算可以得到被测网络的幅频特性和相频特性，通过按键选择可以在LCD显示屏502上分别显示。
实施例2
采用扫频测量模式，开机上电后，进入主菜单，选择扫频测量模式，接下来分别设定最高频率、最低频率和步长，选择开始后，工作原理同实施例1，通过按键选择可在LCD显示屏502上分别显示被测网络的幅频特性和相频特性。
本实用新型中涉及的软件或协议为基于STM32开发平台的自带功能或公知技术。
本实用新型未尽事宜为公知技术。
Claims (2)
1.一种基于单片机控制的数字频率特性测试装置，其特征为该装置的组成包括正交扫频信号源模块、乘法电路模块、低通滤波模块、ADC模块和控制显示模块；
其中，正交扫频信号源模块包括正交扫频信号源、七阶椭圆滤波电路和放大电路，三个部分顺次连接；
乘法电路模块包括第一乘法器和第二乘法器，两个乘法器相同，各自独立；
低通滤波模块包括第一低通滤波电路、第二低通滤波电路，两个低通滤波电路相同，各自独立；
ADC模块包括第一程控增益放大电路、第二程控增益放大电路和模数转换电路，两个程控增益放大电路相同，各自独立；
控制显示模块包括单片机和LCD显示屏；
其中,放大电路分别与第一乘法器、第二乘法器连接，第一乘法器、第一低通滤波电路、第一程控增益放大电路顺次连接，第二乘法器、第二低通滤波电路、第二程控增益放大电路顺次连接，第一程控增益放大电路、第二程控增益放大电路分别与模数转换电路连接，单片机分别与正交扫频信号源、第一程控增益放大电路、第二程控增益放大电路、模数转换电路、LCD显示屏连接。
2.如权利要求1所述的基于单片机控制的数字频率特性测试装置，其特征为所述的正交扫频信号源为AD9854数字合成器；放大电路为AD8009超高速电流反馈型放大器；单片机的型号为STM32F103ZET6；低通滤波电路为LM358双运算放大器；程控增益放大电路为PGA204可编程增益放大器；模数转换电路为AD7689模数转换器。
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| CN106680584A (zh) * | 2016-11-11 | 2017-05-17 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 全数字便携式频谱分析系统 |
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