摘 要： 介紹了用函數(shù)發(fā)生器ICL8038構(gòu)成壓控振蕩器、用D/A轉(zhuǎn)換器提供壓控振蕩器的控制電壓的頻率特性測試儀。它以單片機(jī)為控制核心,實(shí)現(xiàn)了掃頻頻率的步進(jìn)調(diào)整、頻率數(shù)顯、被測網(wǎng)絡(luò)幅頻特性與相頻特性的數(shù)顯及頻率特性曲線的打印。
關(guān)鍵詞： 電子測量? 幅頻特性? 相頻特性? 壓控振蕩器? 單片機(jī)
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模擬式掃頻儀價(jià)格昂貴,不能直接得到相頻特性,更不能打印網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)曲線,給使用帶來諸多不便。為此,我們研究和設(shè)計(jì)了低頻段數(shù)字式頻率特性測試儀。該測試儀用壓控振蕩器產(chǎn)生掃頻信號(hào),以單片機(jī)為控制核心,通過A/D、D/A等接口電路,實(shí)現(xiàn)掃頻信號(hào)頻率的步進(jìn)調(diào)整、數(shù)字顯示及被測網(wǎng)絡(luò)幅頻特性與相頻特性的數(shù)顯等?？偪驁D如圖1所示。該系統(tǒng)成本低廉,掃頻范圍較寬(10Hz～1MHz),并可方便地與打印機(jī)連接以實(shí)現(xiàn)頻率特性曲線的打印。
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1 掃頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)
在頻率特性測試儀的設(shè)計(jì)中,掃頻信號(hào)源的質(zhì)量具有重要的意義。無論是模擬式掃頻儀,還是數(shù)字掃頻儀,都要求掃頻信號(hào)源具有線性壓控的特性,且掃頻波的輸出幅度應(yīng)是恒定的,不因頻率或被測網(wǎng)絡(luò)的改變而改變。為此,我們選用低線性誤差的函數(shù)發(fā)生器ICL8038[1]構(gòu)成壓控振蕩器,如圖2所示。用D/A轉(zhuǎn)換器提供控制電壓。D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量由單片機(jī)給出,如圖3所示,可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)整。為了提高信號(hào)源的負(fù)載能力,我們將壓控振蕩器的輸出信號(hào)送入一寬頻帶功率放大器,從而增大其驅(qū)動(dòng)能力。關(guān)于寬帶功放電路已有很多優(yōu)秀的器件或電路可供選用,此處不再贅述。
振蕩器的振蕩頻率由圖2中的定時(shí)元件R、C及控制電壓決定。當(dāng)R和C一定時(shí),改變ICL8038的⑧腳電壓可改變振蕩器的振蕩頻率。實(shí)驗(yàn)表明,僅靠改變壓控電壓來改變掃頻波的頻率是不能滿足測量要求的(頻率范圍太窄)。為了擴(kuò)展頻率范圍,我們采用了分檔切換電容的辦法。電容C通過一電子開關(guān)接入,單片機(jī)根據(jù)掃頻波的頻率值自動(dòng)給出相應(yīng)的開關(guān)量(三位),從而選擇所接入的電容值,可使掃頻頻率范圍擴(kuò)展到10Hz～1MHz。
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2 幅頻特性與相頻特性的測量與打印
掃頻波頻率的測量與顯示由單片機(jī)完成。寬帶功放輸出的正弦信號(hào),經(jīng)整形后送單片機(jī)供其測量并顯示頻率。用單片機(jī)完成這一任務(wù)已有較成熟的方法。值得注意的是測頻的時(shí)間間隔不是固定的:數(shù)顯時(shí),時(shí)間間隔應(yīng)較長(我們定為1s),因顯示時(shí)必須延時(shí)一段時(shí)間才能便于觀察;打印時(shí),時(shí)間間隔較小(我們定為1ms),便于在較短時(shí)間內(nèi)打印全頻段數(shù)據(jù)。測頻前信號(hào)的整形電路選用寬頻帶正弦波─矩形波變換電路[2],如圖4所示。場效應(yīng)管源極跟隨器的接入是為了消除變換電路對信號(hào)源的影響。
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在幅頻特性的測量中,被測網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)幅度是已知的,這在調(diào)整功放電路時(shí)調(diào)定。只要測出被測網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)的幅度,即可算得其增益(dB數(shù)),被測網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)的幅度的測量由檢波器、A/D轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)共同完成。增益的計(jì)算和顯示亦由單片機(jī)完成。
相頻特性的測量與顯示原理如下:被測網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出信號(hào)先經(jīng)整形電路變換為矩形波,再送入圖5所示測相邏輯電路中,圖中μi和μo分別為被測網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出信號(hào)。電路中有關(guān)波形如圖6所示。設(shè)異或門輸出脈沖寬度為ΔT,信號(hào)周期為T,則輸入與輸出信號(hào)的相位差由下式求得:
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上式中的符號(hào)由A點(diǎn)電平?jīng)Q定,若A點(diǎn)為低電平,則μo超前μi,在Δφ前加“+”號(hào);若A點(diǎn)為高電平,則μo滯后μi,在Δφ前加“-”號(hào)。ΔT與T的測量及(1)式的計(jì)算與符號(hào)的確定均由單片機(jī)自動(dòng)完成。
上述幅頻與相頻特性的測量對頻率而言是離散的。某一時(shí)刻只能看到某一頻率下的增益或相移。為了獲得連續(xù)的頻率特性曲線,我們將全段內(nèi)各頻率下的增益或相移存放在單片機(jī)的外部RAM中,將單片機(jī)與打印機(jī)相連,將存放在外部RAM中的數(shù)據(jù)逐個(gè)送打印機(jī)打印,取得較好的效果。單片機(jī)與打印機(jī)的接口電路如圖7所示。DB0～DB7為單向數(shù)據(jù)傳輸線,單片機(jī)通過此傳輸線將待打印的數(shù)據(jù)送給打印機(jī)。
為數(shù)據(jù)選通信號(hào),此信號(hào)上升沿時(shí),數(shù)據(jù)線上8位數(shù)據(jù)被打印機(jī)讀入機(jī)內(nèi)鎖存并打印。BUSY為打印機(jī)的“忙”信號(hào)輸出線,輸出高電平表示打印機(jī)處于“忙”狀態(tài),此時(shí),單片機(jī)不得向打印機(jī)送入新的數(shù)據(jù)字節(jié)。當(dāng)BUSY為低電平時(shí),單片機(jī)將存在外部RAM中的數(shù)據(jù)送給打印機(jī)。編制相應(yīng)程序時(shí),只要設(shè)置好打印機(jī)的控制字,并將增益或相移值作適當(dāng)量化即可。
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3 軟件流程與系統(tǒng)調(diào)試要點(diǎn)
單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成如下:單片機(jī)選用80C32,鍵盤顯示接口芯片選用8279,存儲(chǔ)器選用EPROM 1片(2K)和RAM 1片(64K)。地址沖突問題由片選信號(hào)解決。A/D轉(zhuǎn)換器選用0809,選用14位DAC一片,可提高分辨率。
軟件流程圖如圖8所示。
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鍵盤分為數(shù)字鍵和功能鍵兩種,數(shù)字鍵用來輸入掃頻頻率起始及終止值等;而功能鍵則用于幅頻特性、相頻特性的測量及打印等功能。
程序編制與電路調(diào)試中有幾個(gè)值得注意的問題。第一是切換定時(shí)電容后頻率的重迭。解決的辦法是通過對掃頻頻率的判斷,給出D/A所需的數(shù)字量,使掃頻頻率單值上升。各電容的值通過實(shí)驗(yàn)調(diào)定。第二是步長問題,在數(shù)顯功能下,步長不能太小,否則,觀察一段頻率范圍的頻響耗時(shí)巨大。針對這一問題,我們通過改變步長的辦法來解決,在低頻段取較小步長,而高頻段取較大步長。在打印功能下,由于不需要延時(shí),故可在全頻范圍取較小步長(10Hz),每步所需時(shí)間僅為單片機(jī)執(zhí)行指令及電路響應(yīng)的時(shí)間,能較快地打印全頻段的頻率特性曲線。這時(shí),頻率軸為線性分度,便于定量分析。第三個(gè)問題是增益與相移的滿量程問題。增益的量程我們定為±40dB,較大增益的網(wǎng)絡(luò)通過衰減網(wǎng)絡(luò)接入,增益小于-40dB時(shí)被量化為-40dB。相移的滿量程為±180°。實(shí)驗(yàn)表明,我們設(shè)計(jì)的系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,打印的幅頻特性曲線與傳統(tǒng)模擬掃頻儀所測曲線相符,相頻特性曲線與理論一致。
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參考文獻(xiàn)
1 陳澤宗,張 鍇,屠忠遂.單片精密函數(shù)發(fā)生器ICL8038及其應(yīng)用.電子技術(shù)應(yīng)用,1997(9)：49～51
2 趙柏樹.寬頻帶正弦波─矩形波變換電路的研究.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1998(增刊)：39～41