简易频率特性测试仪(E题)

2013年全国大学生电子设计竞赛题目：简易频率特性测试仪（E题）

学校：洛阳理工学院

系别：电气工程与自动化系

学生：蔡超越王瑞同葛永要

指导老师：张刚

时间：2013年9月4号---2013年9月7号

题目名称：简易频率特性测试仪（E题）

【摘要】：本实验以DDS芯片AD9851为信号发生器，以单片机STC8051为核心控制芯片，加之于外围电路来实现幅频及相频的检测。系统由5个模块组成：正弦扫频信号模块，待测串联RLC及加法器模块，低通滤波及AD转换模块，单片机最小系统模块，及显示模块。先以单片机送给AD9851控制字产生1MHz-40MHz的正交扫频信号，一路余弦信号经过RLC被测电路转换后，传入乘法器，分别与正交信号相乘。输出两路信号经过低通滤波器、AD转换，在12864上显示幅频特性曲线和相频特性曲线。

【关键词】:DDS STC8051最小系统 RC滤波

Abstract:This experiment is signal generator with DDS chip AD9851, STC8051 MCU as the core control chip, and the peripheral circuit to realize the amplitude frequency and phase frequency detection. System is composed of five modules: sine sweep signal module, serial RLC under test and the adder module, low-pass filtering and AD conversion module, single chip microcomputer minimum system module, and display module. Start with single chip microcomputer to AD9851 control word to produce 1 MHZ - 40 MHZ orthogonal frequency sweep signal, a cosine signal through the RLC circuit to be tested after transformation, the incoming multiplier, with the orthogonal signal multiplication respectively. Output two road signals through a low-pass filter, AD conversion, displayed on the 12864 amplitude-frequency characteristic and phase frequency characteristics curve.【key words】: DDS STC8051 smallest RC filtering system

目录

一．方案论证与选择 (4)

1.1扫频信号产生方案

1.2幅频和相频特性测量方案

二．系统总体设计方案及实现框图 (5)

三．单元模块设计 (5)

3.1正弦信号发生器 (5)

3.2待测串联RLC及加法器模块 (8)

四．理论分析与计算 (11)

4.1扫频测试仪理论依据 (11)

4.2DDS信号源 (11)

4.3相位差测量.................................................................12.. 五．系统软件设计.. (13)

七．总结分析与结论 (21)

一、方案论证与选择

1. 扫描信号产生方案

1.1 数字直接频率合成技术(DDFS)

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fout=fin *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。

1.2 程控锁相环频率合成

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。

1.3 数字频率发生器（DDS）AD9851产生

方案三：采用DDS芯片AD9851。根据题目要求，结合性价比，我们选用AD9851。AD9851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180MHz，正常输出工作频率范围为0～72ＭＨｚ，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。

2.幅频和相频特性测量方案

2.1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。

2.2 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。

二．系统总体设计方案及实现框图

该系统以单片机为控制系统，用DDFS技术产生频率扫描信号，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。可得1MHz-40MHz中任意频率的幅频特性和相频特性数据.并且在LCD同步显示相应的功能和数据，人机交互界面友好。

三．单元模块设计