引言
頻率特性測(cè)試儀也叫掃描儀，早期的頻率特性測(cè)試儀是通過(guò)手動(dòng)改變頻率的方法逐點(diǎn)測(cè)量完成的，后來(lái)按照這種方法設(shè)計(jì)了專門的掃描儀用于頻率特性的測(cè)量。早期的測(cè)量?jī)x大都采用分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，顯示部分也是用傳統(tǒng)的示波器。所以體積大、設(shè)備重、故障率高、操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴，有的只能測(cè)量幅頻特性，且精度不高。像BT6型超低頻頻率特性測(cè)試儀，就是采用分立元件。由于分立元件分散性大，參數(shù)變化與外部條件有關(guān)，因而產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定度差、精度低、抗干擾能力不強(qiáng)，成本反而高。
隨著頻率合成技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展，頻率特性測(cè)試儀也得到改進(jìn)，掃頻源采用數(shù)字量進(jìn)行控制，數(shù)字化信號(hào)源可以彌補(bǔ)分立元件的不足，測(cè)量部分也進(jìn)行了數(shù)字化的改進(jìn)，大多都在低頻段(小于1MHz)，測(cè)試儀的智能化程度仍然不是很高，掃頻范圍也不寬，相位測(cè)量精度也不高，雖然有一些測(cè)試儀也具有很高的精度和很寬的掃頻范圍，但是價(jià)格極其昂貴。
近幾年，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種儀器都偏向小型化、數(shù)字化、智能化、低功耗方向發(fā)展，頻率特性測(cè)試儀作為一種重要的測(cè)量?jī)x器，也在不斷的發(fā)展，由于直接頻率合成(DDS)技術(shù)的日益成熟，為頻率特性測(cè)試儀的數(shù)字化開(kāi)辟了道路，液晶顯示器技術(shù)的成熟使頻率特性測(cè)試儀小型化成為可能。
本文給出了數(shù)字式頻率特性測(cè)試儀系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。采用DDS技術(shù)作為掃頻信號(hào)源，同時(shí)采用了集成芯片CD4046對(duì)相位進(jìn)行檢測(cè)和用運(yùn)算放大器CA3140及其外圍模擬電路對(duì)幅度進(jìn)行檢測(cè)，用單片機(jī)AT89C52進(jìn)行測(cè)量控制和數(shù)據(jù)處理，使用液晶顯示器對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行圖形顯示。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)要滿足性能指標(biāo)為掃頻范圍在100Hz～100kHz;頻率穩(wěn)定度10-4;測(cè)量精度為5%;輸出阻抗50 ;相位測(cè)量精度小于1度;能在全頻范圍內(nèi)自動(dòng)步進(jìn)測(cè)量，能夠預(yù)置測(cè)量范圍及步進(jìn)頻率值。能顯示幅頻特性和相頻特性曲線，并能根據(jù)選擇，放大局部曲線，用對(duì)數(shù)坐標(biāo)和線性坐標(biāo)顯示，并配有文字標(biāo)注。
根據(jù)所要完成的測(cè)試功能及性能指標(biāo)，該系統(tǒng)由信號(hào)源電路、增益相位檢測(cè)電路、控制及數(shù)據(jù)處理電路和圖形顯示及接口電路四部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
信號(hào)源電路由信號(hào)發(fā)生器發(fā)生電路和信號(hào)調(diào)理電路兩部分組成。本系統(tǒng)中信號(hào)發(fā)生電路采用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)，能夠產(chǎn)生頻率、持續(xù)時(shí)間等都是可控的掃頻信號(hào)，并能夠滿足一般用戶對(duì)頻率范圍的要求;信號(hào)調(diào)理電路主要是對(duì)信號(hào)中的噪聲進(jìn)行抑制，并對(duì)輸出信號(hào)的功率起到控制作用。
增益相位檢測(cè)電路是為了檢測(cè)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)兩端的幅度差和相位差。先對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)兩端的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，再對(duì)其進(jìn)行模擬檢幅和鑒相，然后把幅度差和相位差的模擬量由ADC0809轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送給控制及數(shù)據(jù)處理電路進(jìn)行分析處理。
控制及數(shù)據(jù)處理電路要完成邏輯控制、數(shù)據(jù)處理和與人機(jī)接口三個(gè)功能，由單片機(jī)AT89C52完成。主要用于控制整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，并對(duì)測(cè)量及人機(jī)接口部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。
圖形顯示及接口電路負(fù)責(zé)接收各種指令和顯示測(cè)量結(jié)果，例如，顯示掃頻率信號(hào)所需要的起始頻率、終止頻率、頻率間隔、單頻點(diǎn)持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，以及測(cè)量結(jié)果。
信號(hào)源電路
掃描信號(hào)源框圖如圖2所示。輸出為正弦波形，頻率、幅度可數(shù)控。振蕩電路主要是為AD9851提供參考時(shí)鐘，通過(guò)對(duì)AD9851寫(xiě)入不同的控制字使AD9851輸出的掃頻信號(hào)滿足不同情況的測(cè)試要求。
AD9851所產(chǎn)生的信號(hào)直接由器件內(nèi)部的DAC輸出，內(nèi)部不含低通濾波器，故要對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理。
相頻特性測(cè)試電路
如圖3所示，鑒相電路將輸入和輸出信號(hào)分別通過(guò)電壓比較器整形為方波，然后送鑒相器，經(jīng)過(guò)低通濾波器取出直流成分，得到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)相移信號(hào)，送A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本電路采用CD4046鎖相環(huán)的異或鑒相器進(jìn)行鑒相。但是其只能給出相移的大小信息，無(wú)法判斷超前與滯后。因此，需要另加一個(gè)相位移極性判別電路。
幅頻特性測(cè)試電路
如圖4所示，采用有源峰值檢波器實(shí)現(xiàn)峰值測(cè)量，峰值檢波器將被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出信號(hào)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(hào)源的D/A及低通濾波器的特性能保證在100Hz～100kHz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(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)。
在系統(tǒng)中采用二極管包絡(luò)檢峰法。利用二極管幅度檢測(cè)的方法，得到信號(hào)的正峰值。此法檢測(cè)的信號(hào)范圍小，但精度高，能夠滿足該系統(tǒng)的幅頻特性的測(cè)試要求。因此采用此方案。利用檢波二極管4088對(duì)輸出信號(hào)檢測(cè)，得到與信號(hào)峰值成比例關(guān)系的直流信號(hào)，在經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器CA3140調(diào)整比例系數(shù)以便于單片機(jī)采樣。電路如圖5所示。
結(jié)語(yǔ)
設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)頻率特性測(cè)試儀的成品。該系統(tǒng)基本達(dá)到了全數(shù)字化，這有利于縮小儀器的體積、減輕重量、降低成本，為用戶攜帶提供了方便。