频率特性测试仪(精)
电路网络幅频特性测试仪
电路网络幅频特性测试仪1 引言频率特性是一个系统（或网络）对不同频率正弦输入信号的响应特性，电子测量中经常遇到的就是对未知系统或电路网络传输特性的测量，尤其是电路网络幅频特性的测量。
一般情况下，一个系统或电路网络的电路网络幅频特性就能表征其电气性能，如系统固有角频率、系统阻尼率等。
早期, 这些网络参数的测试是在固定频率点上逐点手工操作调节进行的,因此测试方法繁琐、效率低下，精度不高, 且不直观, 有时因取点有误还会得出错误的结果。
而专用测试工具大致可分为两类: 一类是传统设备, 如国产的BT4 型低频特性测试仪,BT4 存在设备体积大（达10余公斤）, 易有故障, 并且操作复杂等缺点,难以满足尤其是现场自动测试的要求; 另一类是采用集数据采集和运算功能于一体的大规模新型芯片技术制造的测试仪, 一般为进口产品, 价格昂贵，结构复杂, 维护困难,体积庞大等缺点。
随着单片微处理器技术的迅猛发展，并在智能仪表中得到了广泛的应用。
软件来代替部分硬件完成频率特性的测试, 便成为一种比较理想而有效的途径。
本设计以51 单片机为主要控制芯片，借助单片机的内部资源及其数据处理能力，采用大规模直接数字合成（DDS）技术，完成了一款便携式的电路网络幅频特性测试仪。
该设计以触摸屏作为系统输入，以菜单方式切换功能操作，以320*240 图形点阵液晶屏作为系统输出，人机界面友好。
本系统在测量频带内，具有测量精度高，测量速度快，显示直观，并对一些测量参量采用实时数字显示。
1.1 测试原理当系统的输入为正弦信号时,则输出的稳态响应也是一个正弦信号, 其频率和输入信号的频率相同, 但幅度和相位发生了变化, 而变化取决于角频率X。
若把输出的稳态响应和输入正弦信号用复数表示, 并求它们的复数比,则得下式：j （）G j A e（1-1）G j称为频率特性, A是输出信号的幅值与输入信号幅值之比, 称为电路网络幅频特性。
e j （）是输出信号的相角与输入信号的相角之差, 称为相频特性。
2扫频仪
返回
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(3)测频率特性和增益
按图连接
设备连接示意图
22
返回
扫频仪的两种输出电缆
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调节图形幅度
•调节输出衰减，注意，这里改变的是被测设备输入 信号的大小 •调节Y轴增益旋钮（只改变显示)。 读出曲线上3dB处的宽度即为3dB带宽。 *如被测设备中含有检波器（如测鉴频特性曲线）， 则用直通电缆。 测增益 采用比较法。先用75欧姆电阻代替图七中的被测 电路，输出衰减调至0dB，或10dB,将屏上显示调到 适当位置例如3格，换上被测电路，保持显示旋钮不 动，调节输出衰减，使屏上图形与原来同高，则第 二次衰减的dB数就为该电路的增益。
•该信号经低通滤波器滤波形成菱形频标。
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菱形频标
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BT3-G主要技术指标
• • • • • • • • • • • • 扫频范围：1～300MHz。 扫频宽度：全扫频：1～300MHz，中心频率150MHz。 窄扫频：最大频偏≥100MHz，最小频偏≤1MHz，1～300MHz连续 可调。 点频：1～300MHz连续可调，输出正弦波。 扫频非线性：不大于1：1.2。 输出电压：0.5V（3.33mw）±10％。 输出平坦度：1～300MHz范围内，0dB衰减时全频段优±0.25dB。 输出衰减器：0～70dB，1dB步进。 输出阻抗：75Ω。 频率标记：内频率标记：50MHz、10MHz、1MHz复合菱形标记。 外频率标记：仪器外频标记输入端输入约6dBm的10～300MHz正弦 波信号，外接频标灵敏度优于300mV。 输入阻抗：470KΩ。
仪器 介绍(2)
频率特性测试仪
1
一、简介
• 名称：频率特性测试仪，简称扫频仪。
• 用途：用于调测设备的频率特性，例如调测调 谐放大器、滤波器、有源或无源网络的幅频特性 （频率响应曲线）得到带宽、增益 、带内不平度 等参数；调测鉴频器的S曲线等。
频率特性测试仪的设计
频率特性测试仪的设计1引言频率特性是一个网络性能最直观的反映。
频率特性测试仪用于测量网络的幅频特性和相频特性，是根据扫频法的测量原理设计，是一种快速、简便、实时、动态、多参数、直观的测量仪器，可广泛应用于电子工程等领域。
由于模拟式扫频仪价格昂贵，不能直接得到相频特性，更不能打印网络的频率响应曲线，给使用带来诸多不便。
为此，设计了低频段数字式频率特性测试仪。
该测试仪采用数字直接频率合成技术专用的集成电路AD9851产生扫频信号，以单片机和FPGA为控制核心,通过A/D和D/A转换器等接口电路，实现扫频信号频率的步进调整、数字显示及被测网络幅频特性与相频特性的数显等。
该系统成本低廉，扫频范围较宽(10 Hz〜1MHz), 可方便地与打印机连接，实现频率特性曲线的打印。
2多功能计数器设计方案2.1幅频和相频特性测量方案方案1：利用公式H(s)=R(s)/E(s),以冲击函数为激励，则输出信号的拉氏变换与系统函数相等。
但是产生性能很好的冲击函数比较困难，需要对采集的数据做FFT变换，需要占用大量的硬件和软件资源，且精度也受到限制。
方案2：扫频测试法。
当系统在正弦信号的激励下，稳态时，响应信号与输入激励信号频率相同，其幅值比即为该频率的幅频响应值，而两者的相位差即为相频特性值。
采用频率逐点步进的测试方法。
无需对信号进行时域与频域的变换计算，通过对模拟量的测量与计算完成，且精度较高。
综上所述，选择方案2。
2.2扫描信号产生方案方案1：采用单片函数发生器。
其频率可由外围电路控制。
产生的信号频率稳定度低，抗干扰能力差，灵活性差。
方案2：采用数字锁相环频率合成技术。
但锁相环本身是一个惰性环节，频率转换时间长，整个测试仪的反应速度就会很慢,而且带宽不高。
方案3：采用数字直接频率合成技术(DDFS)。
以单片机和FPGA为控制核心，通过相位累加器的输出寻址波形存储器中的数据，以产生固定频率的正弦信号。
该方案实现简单，频率稳定，抗干扰能力强。
频率特性测试仪工作原理
频率特性测试仪工作原理1、扫频仪工作原理扫频仪实质上是扫频信号源与示波器X-Y方式的结合。
其组成框图及工作波形如图1所示。
图1 扫频仪组成框图及工作波形扫频信号源，即频率受控振荡器，在扫描信号u1掌握下产生扫频信号u3。
扫描信号源产生的扫描信号u1、扫频起停掌握信号u2分别是扫频信号源的频率掌握信号及停振掌握信号，u1还是示波器的水平扫描信号。
当扫频信号u3为锯齿波电压时，由于正程扫描速度慢，回程扫描速度快，使得扫描正程、扫描回程得到的波形不重合而无法观测，当扫频信号u3为正弦波电压号，u3在扫描回程时停振，使显示出的波形为被测波形和用作水平轴的水平回扫线的组合。
检波探头用于解调出经过被测电路的扫频信号的振幅（包络）变化状况，得到被测电路的幅频特性曲线。
频标形成电路用于产生进行频率标度的频标信号，以便读出各点对应的频率值。
2、产生扫频信号的方法产生扫频信号的方法许多，比较常用的是变容二极管扫频。
图2为变容二极管扫频振荡器原理图，其中VT1组成电容三点式振荡器，变容二极管VD1、VD2与L1、L2及VT1的结电容组成振荡回路，C1为隔直电容，L3为高频扼流圈。
调制信号经L3同时加至变容管VD1、VD2的两端，当调制电压随时间作周期性变化时，VD1、VD2结电容的容量也随之变化，从而使振荡器产生扫频信号。
图 2 变容二极管扫频振荡器原理图变容二极管变容二极管：又称“可变电抗二极管”。
是一种利用PN结电容（势垒电容)与其反向偏置电压Vr的依靠关系及原理制成的二极管。
所用材料多为硅或砷化镓单晶，并采纳外延工艺技术。
反偏电压愈大，则结电容愈小。
主要参量是：零偏结电容、零偏压优值、反向击穿电压、中心反向偏压、标称电容、电容变化范围（以皮法为单位）以及截止频率等，对于不同用途，应选用不同C和Vr特性的变容二极管，如有专用于谐振电路调谐的电调变容二极管、适用于参放的参放变容二极管以及用于固体功率源中倍频、移相的功率阶跃变容二极管等。
扫频仪
测量方法
• 点频法：输入不同频率的等幅波， 点频法：输入不同频率的等幅波， 用电压表测出一系列放大倍数K， 用电压表测出一系列放大倍数 ，描绘出 K～f曲线。麻烦、工作量大、误差大。 曲线。 ～ 曲线 麻烦、工作量大、误差大。 • 扫频法：首先需要扫频信号 (幅度 扫频法：首先需要扫频信号u 幅度 恒定，频率随某种规律连续变化) 恒定，频率随某种规律连续变化 然后用带 检波头的示波器测出输出电压。 检波头的示波器测出输出电压。
2. 传输线特性阻抗的测量
调节可变电阻RP直至显示波形为一平坦直 调节可变电阻 直至显示波形为一平坦直 线，此时RP的电阻值即为传输线的特性阻 此时 的电阻值即为传输线的特性阻 抗。
扫频输出 被测传输线 Y轴输入 RP
图5.12 测量传输线特性阻抗的连接示意图
使用注意事项
①扫频仪与被测电路连接时，必须考虑阻抗 扫频仪与被测电路连接时， 匹配问题． 匹配问题． ②在显示幅频特性曲线时，如发现图形有异 在显示幅频特性曲线时， 常曲折，则表明被测电路有寄生振荡， 常曲折，则表明被测电路有寄生振荡，这时应 先采取措施来消除自激，如降低放大器增益， 先采取措施来消除自激，如降低放大器增益， 改善接地线 ③测试时，输出电缆和检波头的地线要尽量 测试时， 短，切忌在检波头上加长导线
• 扫频仪的分类 1） 按用途划分 扫频仪可分为通用扫频仪、专用扫频仪、 宽带扫频仪、阻抗图示仪、 微波综合测 量仪 2） 按频率划分 扫频仪可分为低频扫频仪、高频扫频仪、 电视扫频仪等。
二、扫频仪工作原理
对扫频信号发生器的基本要求是： （1） 中心频率范围大且可以连续调节。 （2） 扫频宽度要宽且可任意调节，常用 频偏进行描述。 （3） 寄生调幅要小。 （4） 扫描线性度好。
BT-3G型频率特性检验仪为卧式便携通常扫频仪
一、概述：BT-3GⅢ型频率特性测试仪为卧式便携通用扫频仪，它利用矩形内刻度示波管作为显示器，直接显示被测设备的频率特性曲线。
应用该仪器快速测量或调整甚高频段的各种有源无源网络的幅频特性和驻波特性，特别适用于广大科研院校、军工、企业、广播电视等单位，用作教学、科研和生产。
该仪器是对BT-3GⅡ扫频仪的改进，除保持原有的性能指标外，增加了“全扫、窄扫、点频”等功能，实现了全景扫频，特别适用于宽带测试要求，也可进行窄带扫频，可点频输出作为信号源之用，使用更加方便，仪器结构排列紧凑、合理、便于维修，功耗低、外形美观，面板为彩色印刷，功能分区。
二、技术参数1、扫频范围：1～300MHz/1～450MHz/1～650MHz2、扫频宽度：全扫：1～300MHz中心频率150MHz窄扫：最大频偏≥100MHz，最小频偏≤1MHz、1～300MHz连续可调。
点频：1～300MHz连续可调，输出正弦波。
3、扫频非线性：不大于1：1.24、输出电压：0.5V（3.33mW）±10%。
5、输出平坦度：1～300MHz范围内，0dB衰减时全频段优于±0.25dB。
6、输出衰减器：0～70dB，1dB步进。
7、输出阻抗：75Ω8、频率标记：50MHz、10MHz、1MHz复合及外接三种，外接频标灵敏度优于300mV。
9、显示部分垂直灵敏度：优于10mVp-p/Cm.10．显示部分输入阻抗：470KΩ。
11．显示屏幕有效尺寸：100×8㎜2（内刻度）。
12．仪器消耗功率：不大于40VA。
13．仪器使用电源：AC220V±10% 50Hz±2Hz114．仪器外形尺寸：320×130×380mm重量：8Kg。
15．仪器使用环境：按GB6587.1中Ⅱ仪器规定使用，极限温度为―10℃～50℃相对湿度80%RH。
±15150V1500V1、电源部分由电源变压器次级取出的各路交流电压，低压经整流稳压产生±15V，＋24V电压供控制部分扫频、频标单元，Y通道使用。
频率特性测试仪的使用
频率特性测试仪的使用一,实验目的1,了解频率特性测试仪的工作原理和结构;2,了解调谐放大器的幅频特性;3,掌握正确设置频率特性测试仪的各项参数;4,掌握频率特性测试仪的实际操作和应用方法;二,实验设备及器材1,频率特性测试仪(以BT3系列为例) 1台2,电缆探头 1套3,隔直电容(510pF),隔离电阻各1只4,电源及附属设备 1套5,被测网络(中频放大器) 1套6,连接线若干三,实验原理(说明)1,频率特性测试仪的工作原理频率特性测试仪(简称扫频仪),主要用于测量网络的幅频特性.它是根据扫频法的测量原理设计而成的.简单地说,就是将扫频信号源和示波器的X-Y显示功能结合在一起,用示波管直接显示被测二端网络的频率特性曲线,是描绘网络传递函数的仪器.这是一种快速,简便,实时,动态,多参数,直观的测量仪器,广泛地应用于电子工程等领域.例如,无线电路,有线网络等系统的测试,调整都离不开频率特性测试仪.频率特性测试仪主要由扫频信号发生器,频标电路以及示波器等组成,其组成框图如图6-4中的虚线框内所示.检波探头(扫频仪附件)是扫频仪外部的一个电路部件,用于直接探测被测网络的输出电压,它与示波器的衰减探头外形相似(体积稍大),但电路结构和作用不同,内藏晶体二级管,起包络检波作用.由此可见,扫频仪有一个输出端口和一个输入端口:输出端口输出等幅扫频信号,作为被测网络的输入测试信号;输入端口接收被测网络经检波后的输出信号.可见,在测试时频率特性测试仪与被测网络构成了闭合回路.扫频信号发生器是组成频率特性测试仪的关键部分,它主要由扫描电路,扫频振荡器,稳幅电路和输出衰减器构成.它具有一般正弦信号发生器的工作特性,输出信号的幅度和频率均可调节.此外它还具有扫频工作特性,其扫频范围(即频偏宽度)也可以调节.测量时要求扫频信号的寄生调幅尽可能小.2,频率特性测试仪的应用(1)检查示波器部分检查项目有辉度,聚焦,垂直位移和水平宽度等.首先接通电源,预热几分钟,调节"辉度,聚焦,Y轴位移",使屏幕上显示度适中,细而清晰,可上下移动的扫描基线. (2)扫频频偏的检查:调整频偏旋钮,使最小频偏为±0.5MHz,最大频偏为±7.5MHz.(3)输出扫频信号频率范围的检查:将输出探头与输入探头对接,每一频段都应在屏幕上显示一矩形方框.频率范围一般分三档:0～75MHz,75～50MHz,150～300MHZ,用波段开关切换.(4)检查内,外频标检查内频标时,将"频标选择"开关置"1MHZ"或"10MHZ"内频标,在扫描基线上可出现1MHZ或10MHZ的菱形频标,调节"频标幅度"旋钮,菱形频标幅度发生变化,使用时频标幅度应适中,调节"频偏"旋钮,可改变各频标间的相对位置.若由外频标插孔送入标准频率信号,在示波器上应显示出该频率的频标.(5)零频标的识别方法频标选择放在"外接"位置,"中心频率"旋钮旋至起始位置,适当旋转时,在扫描基线上会出现一只频标,这就是零频标.零频标比较特别,将"频标幅度"旋钮调至最小仍出现.(6)检查扫频信号寄生调幅系数用输出探头和输入探头分别将"扫频信号输出"和"Y轴输入"相连,将"输出衰减"的粗细衰减旋钮均置0Db,选择内频标(如1MHZ),在屏幕上会出现一个以基线为零电平的矩形图形,调整中心频率度盘,扫频信号和频标信号都会移动,调节显示部分各旋钮,使图形便于观测,记下最大值A,最小值B,则扫频信号寄生调幅系数为M=(A-B)/(A+B)×100%要求在整个波段内,m7.5%.(7)检查扫频信号非线性系数"频标选择"开关置于"1MHZ",调节"频率偏移"为7.5MHZ,记下最低,最高频率与中心频率f0的几何距离A,B,则扫频信号非线性系数为γ=(A-B)/(A+B)×100%要求在整个波段内,r20%.(8)"1MHZ"或"10MHZ"频标的识别方法找到零频标后,将波段开关置于"Ι","频标幅度"旋钮调至适当位置,将频标选择放在"1MHZ"位置,则零频标右边的频标依次为1MHZ,2MHZ… ….将频标选择放在"10MHZ"位置,则零频标右边的频标依次为10MHZ,20MHZ… …,两大频标之间频率间隔10MHZ,大频标与小频标之间频率间隔5MHZ.(9)波段起始频标的识别方法"频标幅度"旋钮调至适当位置,频标选择放在"10MHZ","频率偏移"最小.将波段开关置∏,旋转"中心频率"旋钮,使扫描基线右移,移动到不能再移的位置,则屏幕中对应的第一只频标为70MHZ,从左到右依次为80MHZ, ……,150MHZ.将波段开关置Ш,则屏幕中对应的第一只频标为140MHZ,识别频标方法相同.(10)扫频信号输出的检查:将两个输出衰减均置于0dB.将输出探头与输入检波探头对接(即将两个探头的触针和外皮分别连在一起).这时,在扫频仪的荧光屏上应能看到一个由扫描基线和扫描信号线组成的长方图形.然后调整中心频率刻度盘,随着中心频率的变化,扫描信号线和频标都随着移动.要求在整个频段内的扫描信号线没有明显的起伏和畸变.并检查扫描信号的输出衰减和Y轴增益钮是否起作用.2,频率特性测试仪的使用注意事项(1)测量时,输出电缆和检波探头的接地线诮尽量短,切忌在检波头上加接导线;被测网络要注意屏蔽,否则易引起误差.(2)当被测网络输同端带有直流电位时,Y轴输放应选用AC耦合方式,当被测网络输入端带有直流电位时,应在扫频输出电缆上串接容量较小的隔直电容.(3)正确选择探头和电缆..BT-3测试仪附有四种探头及电缆:①输入探头(检波头):适于被测网络输出信号未经过检波电路时与Y轴输入相连.②输入电缆:适于被测网络输出信号已经过检波电路时与Y轴输入相连.③开路头:适于被测网络输入端为高阻抗时,将扫频信号输出端与被测网络输入相连.④输出探头(匹配头):适于被测网络输入端具有75特性阻抗时,将扫频信号输出端与被测网络输入相连.四,实验预习要求。
BT-3说明书
BT-3型频率特性测试仪(扫频仪)使用说明B.3.1工作原理频率特性测试仪，俗称扫频仪(国产型号为BT-2、BT-C、BT-5等)。
它是一种用示波器直接显示被测设备频率响应曲线或滤波器的幅频特性的直观测试设备。
广泛地应用于调试宽频带放大，短波通信机和雷达接收机的中频放大器，电视差转机、电视接收机图像和伴音通道，调频广播发射机、接收机高放、中频放大器以及滤波器等有源和无源四端网络。
测量频率特性的方法一般有逐点法和扫频法两种。
为了说明扫频仪的工作原理，先谈谈逐点法频率特性。
图B.15测试原理图调节正弦波信号发生器的频率，逐点测量相应频率上被测设备的输出电压(注意保持被测设备的输入电压不能变)。
例如第一次调节频率f1，送入被测设备，电压表测得被测设备的输出电压为U1，第二次调节频率为f2，电压表测得为U2，这样继续做下去，到第n次调节频率为fn，测得Un。
然后以频率f为横坐标，电压U为纵坐标，把各次频率及其对应测得的电压画到坐标上去，连接这些点得到一条曲线，这就是被测设备的频率特性曲线，如图B.15所示。
但是这种测法即费时又不准，而且不形象。
如果把信号发生器改为一个扫频振荡器，它的频率能自动地从f1到fn重复扫频，但扫频仪输出幅度不变，通过被测设备后，被测设备在不同频率上幅度是不同的，把电压表改成检波器，把被测设备输出的扫频信号的包络检出来，并送到示波器显示出来，我们就能直接看到被测设备的频率特性曲线，这就是扫频法测量频率特性的原理，扫频仪就是根据这个原理做成的。
根据上述原理，扫频仪主要包括三部分，如图B.16所示。
图B.16扫频仪方框图1.扫描信号发生器它的核心仍然是LC振荡器，其电路是设法用调制信号控制振荡电路中的电容器或电感线圈，使电容量或电感量变化，从而使振荡频率受调制信号的控制而变化，但其幅度不变。
用调制信号控制电容量变化的方法是由变容二极管实现的。
用调制信号控制电感量变化的方法通常是用磁调制来实现的。
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频率特性测试仪摘要:本频率特性测量仪以 MSP430单片机为控制核心,由信号源、被测双 T 网络、检波电路、检相电路及显示等功能模块组成。
其中,检波电路、检相电路由过零比较器、鉴相器、有效值检波器、 A/D、 D/A转换器等组成;被测网络采用带自举功能的有源双 T 网络;同时本设计还把 FPGA 作为 MCU 的一个高性能外设结合起来, 充分发挥了 FPGA 的高速信号处理能力和 MCU 的复杂数据分析能力;通过DDS 可手动预置扫频信号并能在全频范围和特定频率范围内为自动步进测量, 在数码管上实现频率和相位差的显示, 以及实现了用示波器观察幅频特性和相频特性。
关键词:单片机; DDS ;幅频特性;相频特性一、方案比较与论证1. 方案论证与选择(1系统总体方案描述该系统以单片机和 FPGA 为控制核心,用 DDS 技术产生频率扫描信号,采用真有效值检测器件 AD637测量信号幅度。
在 FPGA 中,采用高频脉冲计数的方法测量相位差,经过单片机运算,可得到 100 Hz ~100 kHz 中任意频率的幅频特性和相频特性数据, 实现在该频段的自动扫描, 并在示波器上同时显示幅频和相频特性曲线。
用键盘控制系统实现各种功能, 并且在 LCD 同步显示相应的功能和数据。
系统总体设计框图如图 1所示。
图 1 系统总体框图(2扫描信号源发生器方案一:采用单片函数发生器。
其频率可由外围电路控制。
产生的信号频率稳定度低,抗干扰能力差,灵活性差。
方案二:采用数字锁相环频率合成技术。
但锁相环本身是一个惰性环节, 频率转换时间长, 整个测试仪的反应速度就会很慢 , 而且带宽不高。
其原理图如图 2所示:图 2 PPl原理图方案三:采用数字直接频率合成技术 (DDFS。
以单片机和 FPGA 为控制核心 , 通过相位累加器输出寻址波形存储器中的数据 , 以产生固定频率的正弦信号。
该方案实现简单,频率稳定,抗干扰能力强。
其原理图如图 3所示:图 3 DDS 原理图综上分析, 方案三可以产生高精度与高纯度的频率信号, 频率分辨率很高, 可以实现任意小的频率步进,固采用方案三。
(2幅频特性的测试方案一:由电压跟随器和二极管电路组成。
当输入电压正半周通过时, 检波管导通, 对电容 C 充电, 使电容上的电压逐渐趋近于峰值电压。
只要 RC 足够大, 可以认为其输出的直流电压数值上十分接近于交流电压的峰值。
而在其它时段电容 C 上的电压将对电阻 R 放电。
利用检波二极管对输出信号检测,得到与信号峰值成比例关系的直流信号,在经过运算放大器调整比例系数以便于单片机采样。
方案二:使用高速 A/D采样,通过采样值获得峰值。
此方案精度很高,但是由于需要较高的采样频率,高频干扰无法彻底消除,给峰值获取带来很大难度, 制作调试相对复杂。
方案三:使用精度和速度都比较高的有效值检测器件(如 AD637 ,通过有效值来计算幅度响应。
此方案外围电路简单易于调试,精度也较高。
综上考虑,由于芯片 AD637精度很高,稳定性好,快速变化能力强,固采用方案三。
(3相频特性的测试方案一:积分法。
将异或鉴相器的异或输出脉冲送至积分器积分, 当积分电压达到一定值时再通过一个回路放电,并测量充放电的时间 T1, T2。
根据其比值算出其相位差。
方案二:计数法。
将输入和输出信号分别经过过零比较器后对其输出方波进行异或操作。
所得脉冲的占空比既能反映被测信号相位大小。
测量异或脉冲的周期为 T ,假设其高点平时间为 Th ,给一个基准高频脉冲, T 与 Th 内基准脉冲的数目分别为 M 、 N ,则信号的相位差则为ψ=(N/M*360°。
方案三:低通滤波法。
将输入和输出信号分别经过过零比较器后对其输出方波进行异或操作。
将此异或输出信号微分得到两个对应被测信号负向过零瞬间的尖脉冲,利用非饱和型高速双稳态电路被这两组负脉冲所触发。
所以, 由于方案二硬件实现电路简单, 且易于用 FPGA 实现, 故选择方案二。
二、理论分析与比较1. 低通滤波器输出周期为 T 、宽度为 TX 的方波,若方波幅度为 Ug ,则此方波的平均值即直流分量可得。
用低通滤波器将方波中的基波和谐波分量全部滤除后, 输出电压即直流电压。
上式中 T 为被测信号的周期, TX 由两信号的相位差 x ϕ决定。
TX 与x ϕ的关系为:22360x x x x x T T T wf ϕϕϕϕππ===⨯=⨯︒ (1-1若 A/D的量化单位取为 Ug/3600,则 A/D转换结果即为 x ϕ的度数。
2. 阻容双T 网络参数在此网络中, 中心频率为012f RC π=, 电路 Q 值为 1(1 4Q K =-, 频率特性方程为2202200(w4(1 w w H w j w w K w -=+-- (1-2通过改变两个电阻的阻值可以实现对 K 和 Q 的值的改变。
由于系统要求的中心频率为0 5f kHz=,带宽为 50zH±。
将此要求带入上面公式即可得到个参数。
三、硬件电路设计1. 阻容双 T 网络其原理图如图 5所示。
,仿真后的幅频特性曲线如图 6所示,相频特性曲线如图7所示。
图 5 阻容双 T 网络图 6 幅频特性曲线图 7 相频特性曲线2. 有效值检波器该模块采用的是 AD637。
AD637是一块高精度单片 TRMS /DC 转换器, 可以计算各种复杂波形的真有效值。
由于采用,峰值系数补偿在测量峰值系数高达 10的信号时附加误差仅为 1% 。
频带宽度在 2V 输入时可达 8MHz 。
由于 AD637芯片可以对输入的正弦信号峰值直接计算并输出其有效值, 因此可以采用该芯片实现信号的峰值检测。
其电路实现如图 8所示:图 8 有效值检波电路图3. 过零比较器该模块采用 LM339芯片, 实现了波形由正弦波到方波的转换, 其原理图如图 9所示。
AIN图 9过零比较器原理图4.D/A转换器采用 TLC7528和两片 OP07构成 D/A转换器,其原理图如图 10所示。
整个 2处用到 D/A转换器, 分别将单片机输出的数字量转换成模拟量, 传送到示波器的 X 轴和 Y 轴。
+5V 10uF+ 0.1uF 17 VCC 4 VREFA 18 VREFB 6 DAC(A’/B 15 (CS’ 16 (WR’ 1 5 14 DI0 13 DI1 12 DI2 11 DI3 10 DI4 9 DI5 8 DI6 7 DI7 3 RFBA 2 OUTA 19 RFBB 20 OUTB D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 +15V 10uF + 0.1uF 四、软件电路设计 1.扫频测量的主程序流程图系统程序应包括监控程序，测试功能管理模块,DDS 控制模块,扫频测试模块, 结果处理模块和显示控制模块等。
2.FPGA 设计本设计中的鉴相器采用了 FPGA 来处理，实现了高精度的数字化测量。
总体框图如图 12 所示。
TLC7528 2 7 OP37 6 10K 3 + 4 10K 7 6 OP37 uo 3 + 4 2 10uF + 0.1uF -15V 图 10 D/A 转换器原理图1 开始向FPGA置累加步长读A/D转换电路初始化将幅度值存入传感器读计数器计算出的相位值输入储存器手动预置扫描频率范围调用显示中断程序自动步进自动预置扫描频率自动预置下限频率点，测256个点１测量结束结束图11 主程序流程图 3.用 D 触发器判断将整形后的被测网络输入信号Ui加到D触发器D端，将整形后的被测网络输出信号Uo’加到触发器的CP端，如图所示，若Uo’超前Ui’，则对应Uo’上升沿处，Ui’为0，则D触发器输出为0。
反之，Uo’滞后Ui’，则D触发器输出为1，将其输出送往单片机，即可判断相移的超前与滞后。
超前Ui’(D Uo’(CP Q Ui’(D Q “0” 74ls74A 滞后Uo’(CP Ui’(D Uo’(CP Q “1” “1” 图 12 D 触发器及其波形图五、数据测试与分析 1.测试仪器 DT9202A 数字万用表 HG—1643 函数发生器Tektionix 电脑一台； FLUKE 数字万用表。
2.测试条件环境温度：25℃，电源电压 220V 市电（加到自制线性稳压电源上）。
3. 测试方法及数据 (1信号源的测试。
用数字频率计测试信号源的频率及步进，用示波器或毫伏表测试峰值电压或有效值。
测试数据如表一所示：表一信号源测试数据 TDS 1001 双踪示波器一台；频 /Hz 率仪器测量值误差/% /Hz 25027 25093 25100 25573 26207 27242 30673 35797 41563 0.001 0.332 0.000 0.681 0.796 0.896 2.243 2.277 3.907 峰值电压 /V 2.04 2.04 2.02 2.03 2.01 2.00 1.99 1.99 1.98 25000 25010 25100 25400 26000 27000 30000 35000 40000 由测试数据可知信号源频率输出满足题目要求。
频率稳定度从频率计的显示数据看，显示的数据的误差范围在 5%以内。
(2双 T 网络的测试用自制信号源测试双 T 网络，测试结果如表二所示。
表二自制信号源测设双 T 网络数据频 /Hz 率电压/V 频率/Hz 0.79 0.68 29960 29980 电压/V 0.12 0.01 频 /Hz 率电压/V 0.23 0.35 29860 29880 30060 3008029900 29920 0.54 0.37 30000 30020 0.00 0.02 30100 30120 0.41 0.55 从上表可以看出，本设计中的双 T 网络的陷波点在 30KHz 处。
由于本题目双 T 网络要求的 K 值很高，实际制作调试中，存在实验条件的限制，双 T 网络的阻带宽度与理论有偏差。
（3）幅频特性测试数据如表 3 所示，相频特性测试数据如表 4 所示。
表 3 幅频特性测试数据频率(KHz 测量值(U 4800 4850 4900 4950 5000 5050 5100 5150 5200 表 4 相频特性测试数据相频率(Hz 测量值(度 4800 4850 4900 4950 5000 5050 5100 5150 5200 六、结论以单片机（MCU）为控制核心，由信号源、被测双 T 网络、检波电路、检相电路及显示等功能模块组成的频率特性测试仪基本完成了题目中要求的基本内容：频率范围在 100Hz-100kHz；以 10Hz 步进扫频；有较高的稳定度和测量精度；能在全频范围和特定频率范围内自动步进测量，可手动预置测量范围及步进频率值。