简易频率特性测试仪论文

2013年全国大学生电子设计竞赛

简易频率特性测试仪（E题）

【本科组】

2013年9月6日

摘要

本实验以DDS芯片AD9854为信号发生器，以单片机STM32F103RBT6为核心控制芯片。系统由5个模块组成：正弦扫频信号模块，待测阻容双T网络模块，整形滤波模块，A/D转换模块及显示模块。先以单片机送给AD9854控制字产生1MHZ—40MHZ的扫频信号，经过阻容双T网络检测电路，两路路信号通过AD9283对有效值进行采集后进入单片机进行幅值转换，最终由TFTLCD显示输出。

ABSTRACT

In this experiment, the DDS chip AD9854 as the signal generator, MCU STM32F103RBT6 as the core control chip, and with FPGA as auxiliary, and on the peripheral circuit to realize the detection of amplitude frequency and phase frequency. The system comprises 6 modules: signal sine sweep signal module, the measured resistance capacitance of double T module, filter module, A/D conversion module and display module. The first single-chip microcomputer to AD9854 control word generate sweep signal of 10MHZ - 40MHZ, the resistance and capacitance of double T detection circuit, two road signals are collected on the effective value through the AD9283 into the microcontroller to amplitude conversion, the LCD display output, finally to complete the amplitude frequency and phase frequency of simple test.

目录

1系统方案 (1)

1.1 AD9854模块的论证与选择 (1)

1.2 单片机控制系统模块的论证与选择 (2)

1.3 显示模块的论证与选择 (3)

1.3 电源模块的论证与选择 (3)

2系统理论分析与计算 (3)

2.1 系统原理的分析 (3)

2.2 滤波器的设计 (4)

2.2.1 滤波器电参数的计算 (4)

2.2.2 Multisim仿真电路 (5)

2.3 ADC设计 (6)

2.3.1 AD9283 匹配电路设计 (6)

2.3.2 电路图 (6)

2.4 被测网络设计 (7)

2.4.1 被测网络的电参数选择 (7)

2.4.2 Multisim仿真 (7)

3电路与程序设计 (8)

3.1电路的设计 (8)

3.1.1系统总体框图 (8)

3.1.2 正交扫频信号子系统框图与电路原理图 (9)

3.1.3 单片机显示系统模块子系统框图与电路原理图 (10)

3.1.4电源 (12)

3.2程序的设计 (12)

3.2.1程序功能描述与设计思路 (12)

3.2.2程序流程图 (13)

4测试方案与测试结果 (14)

4.1测试方案 (14)

4.2 测试条件与仪器 (16)

4.3 测试结果及分析 (16)

4.3.1测试结果(数据) (16)

4.3.2测试分析与结论 (17)

附录1：电路原理图 (18)

附录2：源程序 (20)

简易频率测试仪（E题）

【本科组】

1系统方案

本系统主要由AD9854模块、单片机控制系统模块、显示模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 AD9854模块的论证与选择

方案一：采用数字直接频率合成技术(DDFS)。以单片机和FPGA为控制核心,利用FPGA中的N位地址存储相应的正弦表值，通过改变频率控制字K，寻址相位累加器的波形存储器的数据,以产生所需频率的正弦信号f out=f in *K/2N。该方案频率比较稳定，抗干扰能力强，但程序实现会有一定的繁琐性，并且会占用FPGA资源。

方案二：采用程控锁相环频率合成方案。锁相环频率合成是将高稳定度和高精确度的标准频率经过加减乘除的运算产生同样稳定度和精确度的大量离散频率，在一定程度上解决了既要频率稳定精确、又要频率在较大范围可变的矛盾，能产生方波，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，但采用了多次积分电路，这种具有惰性特性的电路误差大且不能满足相频曲线和幅频曲线的输出要求，功能扩展能力有限。

方案三：采用DDS芯片AD9854。根据题目要求，结合性价比，我们选用AD9854。AD9854是AD公司采用先进的DDS技术生产的具有高级集成度的DDS器件，

它的最高工作时钟为300MHz，正常输出工作频率范围为0～300ＭＨｚ，精度可达0.04Ｈｚ，它还具有调频和调相功能，通过单片机的适当控制便可产生高带宽的正弦波信号。该方案产生的信号频率稳定度较好，操作简易，但抗干扰性有一定的不足。

综上论证比较：与DDFS及锁相环频率合成相比，采用DDS芯片合成正弦信号的频率建立与切换简单，频率单一，频率覆盖范围广，精度高，可控性强，功能扩展能力大。故采用方案三。

1.2 单片机控制系统模块的论证与选择

方案一：8 位内核的51 类MCU 的资源往往是最大几K-100K 的flash。100-几K 字节的RAM，IO，串口，定时器，8 位数据总线，AD 等简单的资源。目标确定，单一。结构简单，指令简单。易于理解和操作，这些特点也是51 能深入人心的因素。但是，51类MCU处理速度慢，内部资源少。

方案二：STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K 到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz 时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz

综合以上两种方案，选择方案二。

1.3 显示模块的论证与选择

方案一：采用LCD1602液晶显示。此液晶为工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。

方案二：采用TFTLCD。TFTLCD彩屏集成各种字库，容易操作，可以显示数字、英文、汉字以及图像。

综合考虑采用方案二。

1.3 电源模块的论证与选择

方案一：采用干电池供电。干电池可以提供3V和4.5V或者6V电源，可以给各个模块提供足够的电压。但是干电池续航能力不足，成本计较大。

方案二：采用适配器5V供电。通过AMS117芯片加入47uF的去耦电容产生3.3V 电源供给AD9854系统和STM32系统。

综合考虑采用采用适配器5V、3.3V供电模块。

2系统理论分析与计算

2.1 系统原理的分析

正交解调原理：无论中频信号的调制方式如何，都可以先使用正交解调，然后再依据调制方式处理恢复信号。正交解调也叫正交基带变换，其目的是去掉调

制信号中的载频，将信号变到零中频(基带)。一个载频为叫 的实调制信号可以表示为：(t)= a(t)COS[叫t+0(t)]则其复信号解析式为：z(t)=口(t)cos[ t+0(t)]+皿(￡)sin[t+0(t)]其中a(t)表示信号的瞬时包络， (t)= 叫 t+0(t)表示信号的瞬时相位，而叫(t)= (t)／dt= 叫 +0 (r)表示信号的瞬时角频率。各种调制方式的信号调制信息都包含在这3个特征量中。经正交解调后得到的零中频信号(基带信号)为：

Z (t) = a(t)cos0(t)+ja(t)sin0(t) = Z (t)+ (t)

式中z (t)= a(t)cos0(t) Z (t)和Z 肋(t)分别为基带信号中的同相分量和正交分量，或称I 路分量和Q 路分量。

2.2 滤波器的设计

2.2.1 滤波器电参数的计算

采用有源滤波，二阶有源低通滤波环节参数计算公式如下

：

。

由要求，我们选取中心频率为250KHz ，参数选择和电路图1如下

R

R

C

C

TL072Rf

R1

-5V

+5V +

-

图1 二阶有源低通滤波电路图

选C=1000pF ，由fo=250KHz 计算得R=637Ω。实际选取R=680Ω，实际中心频率为234KHz ，满足要求。选取Rf=1.2K Ω，R1=1.5K Ω。可得Av=1.8满足要求。

增益为5.1dB。

2.2.2 Multisim仿真电路

仿真主要指的是仿真硬件和仿真软件。仿真硬件中最主要的是计算机。软件的仿真能够根据理论的电路来进行建立连接，测试。这样可以更好的发现电路中的一些问题，从而大大的减小了实际硬件电路的出错概率，这样可以更好的降低成本。

用Multisim仿真电路图2如下：

图2 滤波仿真图

结果如下图3：

图3 滤波仿真图结果图

2.3 ADC设计

2.3.1 AD9283 匹配电路设计

AD9283 的输入阻抗匹配电路如图4 所示: ZS= 50 Ω, ZL = 10 kΩ,特性阻抗ZO = 10 kΩ. 匹配网络采用π网络来设计,该网络在完成阻抗匹配的同时通过低通滤波来去除一些噪声干扰。

2.3.2 电路图

图4 AD9283匹配电路图

2.4 被测网络设计

2.4.1 被测网络的电参数选择

被测网络电路图，电路计算公式

。

由题目要求得，中心频率＝5kHz ，带宽±50Hz ，计算得出51018.3-?=RC ，选取C=1000pF ，可得R=31.8K Ω。另外，Q=50，所以K=0.995，选(1-KR1)=820Ω，则KR1=163K Ω。

2.4.2 Multisim 仿真

用Multisim 仿真电路图如下图5：

图5 被测网络仿真图

仿真结果如下图6：

图6 被测网络仿真结果图

根据仿真结果可知，此电路完全满足设计要求。

3电路与程序设计

3.1电路的设计

3.1.1系统总体框图

系统总体框图如图7所示：

正交扫频信号

显示模块

滤波

被测网络

S T M 32控制模块

A D 转换

乘法器

图7 系统总体框图

3.1.2 正交扫频信号子系统框图与电路原理图

1、AD9854子系统框图

AD9854

74HC2455V 电源

3.3V 电源

STC12C5A60S2单片机

震荡电路

独立按键

图8 AD9854子系统框图

2、AD9854子系统电路图

图9 AD9854子系统电路电路图3.1.3 单片机显示系统模块子系统框图与电路原理图

1、STM32子系统框图

STM32F103RBT6

3.3V 电源

震荡电路

显示模块

按键模块

图10 STM32子系统框图

2、STM32子系统电路

图11 STM32子系统电路

3.1.4电源

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V和3.3V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。

3.2程序的设计

3.2.1程序功能描述与设计思路

1、程序功能描述

根据题目要求软件部分主要实现正交扫频信号、AD转换、按键和参数显示。

1）正交扫频信号：要求输出1MHZ―40MHZ的正弦信号。

2）AD转换：把输出的模拟信号转换为数字信号。

3）按键：设置频率增减和扫频设置。

4）显示部分：显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率。

2、程序设计思路

1）①复位DDS，即Master保持10个以上系统时钟周期的正脉冲；

②写控制寄存器。设置工作模式、数据更新方式、锁相环倍数、开启和屏

蔽应的功能。

③写数据寄存器。写入扫频的起始频率和终止频率，设置扫频步进和扫频

斜率。

④数据设置完成以后，在数据更新管脚产生正脉冲，芯片开始扫频，并不

断以终频-初频-终频的方式循环。

2）采用8路A/D转换

3）设置一个按键用来控制增加和减少输出信号的频率，一个按键用来控制扫频设

置。

4）采用STM32单片机来控制彩屏显示电压值、频段

3.2.2程序流程图

开始

AD9854产生正交扫

频信号

A/D转换STM32显示

结束

图12 主程序流程图

开始

复位DDS

写控制寄存器

写数据寄存器

结束

扫频

图13 AD9854信号源

子程序流程图

开始

输出允许信号

结束

启动A/D转换

转换结束信号

输入时钟信号

地址锁存信号

图14 A/D转换子

程序流程图

开始

结束

写数据

显示数据

STM32初始化

TFTLCD初始化

图15 STM32

显示子程序流程图

4测试方案与测试结果

4.1测试方案

1、硬件测试如下图16所示：

图16 硬件调试实物图

2.实验系统调试过程中发现以下几点问题：

1）地线不稳定或过长时，由于分布电容的存在，频率测量会有几Hz的跳动。

2）在用示波器探针线会有损坏而导致测量不出数据。

3）电源模块正、负电源管脚处接47uF的滤波电容。在输出端上拉电阻处并小电容，有显著滤除振荡效果。

4）在每个独立电源的正、负处都要接一大一小的滤波电容。

5) 在接线时，尽量避免输入与输出线距离过近，否则会对测量有一定影响。

3、软件仿真测试

软件仿真图如下图17所示：

GND

GND

GND

GND

R149.9Ω

U1

AD8009AR 3

2

4

7

6

R2300Ω

R3300Ω

VCC

5V

VEE -5V

C160pF

XFG1

R4

200Ω

XSC1

A B

Ext Trig

+

+

_

_

+_

图17 放大器软件仿真图

仿真结果如下图所示：

图18 放大器软件仿真结果图