基于AD985的便携式数字扫频仪器的设计硬件设计5509457.doc
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1、基于基于 AD9851 的便携式数字扫频仪器的设计的便携式数字扫频仪器的设计 (硬件设计硬件设计) Design of portable digital based on AD9851 sweep frequency instrument (hardware design) I 基于基于 AD9851 的便携式数字扫频仪器的设计的便携式数字扫频仪器的设计(硬件设计硬件设计) 摘摘 要要 扫频仪是测量网络传输特性的仪器,在现代电子测量中占据着重要的地位。本文着 重分析了扫频仪的工作原理,提出了一种基于 DDS 技术的扫频仪的设计方案。在对市场 上扫频仪的研究现状和对系统特性进行分析以后,确定了本
2、设计的性能指标和总体方案。 此设计主要有扫频信号发生器电路、增益控制电路、自动电平控制电路、检波头输出电 路、单片机 ATmega128 以及电源模块电路等模块组成,其中扫频信号发生器电路采用 DDS 纯数字化方法,具有高速的频率转换时间、极高的频率分辨率和较低的相位噪声还 具有可编程控制等优点,再加上增益控制电路、自动电平控制电路等,使扫频仪能适应 各种测试要求。利用微处理器 ATmega128 作为控制及处理单元,使用集成化的幅度和相 位检测芯片,配有 LCD192X64 液晶显示,使这种扫频仪设计简单,调试方便,性能稳定 可靠,系统界面友好,能够在全频范围内自动步进测量,可预置测量范围及
3、步进频率值, 可以更加细致的观察频率特性图,给使用者带来方便。 关键词关键词 扫频仪扫频仪 DDS 技术技术 增益控制增益控制 II Abstract Sweep generator is an instrument for measuring transmission characteristics of the network. In this paper, the working principle of sweep generator were analysed emphatically, then a design scheme based on DDS technology wer
4、e put forward. After analysing the research status of the sweep generators in the market and the system characteristics, we make sure the performance index and general scheme. In this design, the sweep generator consists of several parts, they respectively are swept signal generator circuit, gain co
5、ntrol circuit, automatic voltage control circuit,detecting head output circuit,atmega128 microcontroller,power module circuit In which swept signal generator adopt the pure digital technique which has high-speed frequency conversion time, extremely high frequency resolution, lower phase noise and th
6、e outstanding advantage of programe control, super add the gain control circuit and Automatic voltage control circuit, the sweep generator can adapt to various test requirements. Embedded microprocessor AD9851 we re used as the control and processing and the compositive magnitude and phase detecting
7、 circuit LCD 192X64make the design of sweep generator more simple, the debugging more convenient and the performance more stable and reliable. In addition, this sweep generator can make stepping measurementautomatically in the whole frequency range. We can preset measuring range and stepping frequen
8、cy, so the detailed frequency characterist ic curves can be seen clearly. This function brings users much convenience. Key words: sweep generator DDS techonology gain control 目 录 摘摘 要要I ABSTRACTII 第一章 绪论.1 1.1 扫频仪简介1 1.2 扫频仪的分类及其简介2 第二章 便携式扫频仪器方案的选择.7 2.1 扫频仪基本知识7 2.1.1 扫频仪的功能与用途7 2.1.2 基本测量原理7 2.2
9、系统的主要性能指标.8 2.3 总体方案设计与论证9 2.3.1 方案一介绍.9 2.3.2 方案二介绍.9 2.4 方案比较10 2.5 总体方案确立11 第三章 单元电路设计与分析.12 3.1 单片机主控模块的设计与分析12 3.1.1ATmega 单片机简介12 3.1.2 单片机主控电路16 3.2 信号发生模块电路设计与分析17 3.2.1 AD9851 芯片简介 17 3.2.2 信号发生模块电路.18 3.3ALC 宽带放大器的设计与分析.19 3.4 电源电路模块的设计与分20 3.5 LCD 显示模块电路.21 3.5.1 LCD 芯片简介.21 3.5.2 LCD192X
10、64 显示电路 .23 3.6,检波电路.24 3.6.1 检波电路的基本介绍:24 3.6.2 检波电路原理.27 第四章 软件部分简介.28 4.1 主程序模块.28 4.2 AD9851 电路驱动程序29 总 结.30 参考文献.31 致 谢.32 南昌工程学院本科毕业设计(论文) 1 第一章 绪论 1.1 扫频仪简介扫频仪简介 在电子测量中,经常遇到对网络的阻抗特性和传输特性进行测量的问题,其中传输 特性包括增益和衰减特性、幅频特性、相频特性等。用来测量前述特性的仪器我们称为 频率特性测试仪,简称扫频仪。它为被测网络的调整,校准及故障的排除提供了极大的 方便。 扫频仪一般由扫描锯齿波发
11、生器、扫频信号发生器、宽带放大器、频标信号发生器、 X 轴放大、Y 轴放大、显示设备、面板键盘以及多路输出电源等部分组成。其基本工作过 程是通过电源变压器将 50Hz 市电降压后送入扫描锯齿波发生器,就形成了锯齿波,这个 锯齿波一方面控制扫频信号发生器,对扫频信号进行调频,另一方面该锯齿波送到 X 轴 偏转放大器放大后,去控制示波器 X 轴偏转板,使电子束产生水平扫描。由于这个锯齿 波同时控制电子束水平扫描和扫频振荡器,因此电子束在示波管荧光屏上的每一水平位 置对应于某一瞬时频率。从左向右频率逐渐增高,并且是线性变化的。扫频信号发生器 产生的扫频信号送到宽带放大器放大后,送入衰减器,然后输出扫
12、频信号到被测电路。 为了消除扫频信号的寄生调幅,宽带放大器增设了自动增益控制器(AGC) 。宽带放大器 输出的扫频信号送到频标混频器,在频标混频器中与 1MHz 和 10MHz 或 50MHz 晶振信 号或外频标信号进行混频。产生的频标信号送入 Y 轴偏转放大器放大后输出给示波管的 Y 轴偏转板。扫频信号通过被测电路后,经过 Y 轴电位器、衰减器、放大器放大后送到 示波管的 Y 轴偏转板,得被测电路的幅频特性曲线。 1.2 扫频仪的分类及其简介扫频仪的分类及其简介 信号扫描频率发生器,也被定为一个测试信号扫频发生器,功能扫频发生器,乐音 扫频发生器,任意波形扫描频率发生器,或频率扫频发生器,生
13、成重复的电子信号(在 任在模拟或数字域)的电子装置。它们通常用于设计,测试,故障排除和修复电子电声 器件,虽然他们往往有艺术用途。 有许多不同的类型的信号扫描频率发生器,带有不同的目的和应用程序(且在不同 的费用水平) ,在一般情况下,没有任何的移动设备是适合用于所有可能的应用。 传统上, 信号扫频发生器已被嵌入的硬件单元,但由于多媒体 PC 的年龄,灵活的,可编程的软件 乐音扫频发生器也可用。 第一章 绪论 2 (1)功能扫频发生器 一个功能扫描频率发生器也是一个装置,它生产简单的重复波形。这种装置包含一 个电子振荡器,一个电路,该电路能够创建一个重复波形。 (现代的设备可以使用数字 信号处
14、理的合成波形,后跟一个数字到模拟的转换器,或 DAC,以产生一个模拟输出) 。 最常见的波形为正弦波,脉冲,方波和三角波振荡器锯齿波,通常可作为任意波形扫描 频率发生器(AWG) 。如果以上的音频频率范围( 20 千赫)的振荡器的工作,扫频发生 器通常包括某种形式的调制功能,诸如振幅调制(AM) ,频率调制(FM)或相位调制 (PM)以及一个第二振荡器,提供了一个音频的频率调制波形。 功能扫描频率的发生器中通常使用简单的电子维修和设计的,它们被用来刺激被测 电路的。然后,使用的设备,如示波器测量电路的输出。功能扫描频率发生器不同的输 出功能,频率范围,频率精度和稳定性,和其他一些参数的数量。
15、(2)任意波形扫描频率发生器 任意波形扫描频率发生器,或 AWG 的,是复杂的信号扫描频率发生器,允许用户在 公布的频率范围限制内生成任意波形,频率范围,精度和输出。不像函数扫描频率发生 器,它被限制为一组简单的波形;AWG 允许用户在各种不同的方式指定的源波形。 AWG 的是比功能扫描频率发生器一般都比较昂贵,而且往往更多的可用带宽非常有限,因此, 他们通常只限于较高端的设计和测试应用程序。 (3)音频扫频发生器和音频扫频频率发生器 乐音扫频发生器是一种典型的用于在音频和声学优化的信号扫描频率发生器。乐音 扫频发生器通常包括以上的音频频率范围(20 Hz 至 20 kHz)的正弦波。精密的音
16、调扫频 发生器也将包括扫描扫描频率发生器,多音扫频发生器(该输多个的色调的同时,和用 于检查互调失真和其它非线性效应) ,和猝发音(用于测量响应瞬变) 。音扫频发生器通 常用于一并声级计,当测量一个房间或声学的声音重放系统,和/或与示波器或专门的音 频分析仪。 许多音扫描频率发生器在数字域进行操作,在各种数字音频格式,如 AES-3,或 SPDIF 输出。这种扫描频率发生器可以包括特殊的信号,刺激各种数码效果和存在的问题,如 裁剪,抖动,误码,他们还经常提供的方法来处理相关的元数据与数字音频格式。 南昌工程学院本科毕业设计(论文) 7 第二章 便携式扫频仪器方案的选择 2.1 扫频仪基本知识扫
17、频仪基本知识 2.1.1 扫频仪的功能与用途 某种幅频特性是各种控制系统在频域中的建立起来的一种数学模型,它准确的描述 了系统内部的内在特性,而且与外界因素无关,当一个系统结构的参数给定了,那么系 统的频率特性也被完全确定。在信号与系统的学习中我们知道,在不知到系统的频谱特 性时,我们将其看作是一个“黑箱子” ,然后通过输入、输出的传递函数的关系来描述系 统的内在特性。这在电路系统中也采用了相同的方法,即使在相当多的情况下,我们即 便无法知道电路的详确切结构,或无法获得电路中各个组件的准确参数,只能将所要分 析的电路系统作为“黑箱”来处理。我们通过测量网络的输入和输出经计算得到网络的 幅频特性
18、,便携式数字扫频仪就是将“黑箱”的幅频特性曲线直观地反映在显示器上的 的一种网络分析仪器。 2.1.2 基本测量原理 测量幅频特性有许多种方法,最基本的有两种方法:动态测量法和稳态测量法。 (1)动态测量法 动态测量法主要是指冲激响应测量法,它利用被测网络的冲激响应来推算出网络的 频率特性。当我们将一个特定的输入信号加在某个被测网络是,那么由于网络具有特定 的幅频特性就会产生一个特定的输出,从而推算出被测网络的幅频特性。 (2)稳态测量法 稳态测量法的被测系统为线性非时变网络。如图 2-1 所示。 第二章 便携式扫频仪器方案的选择 8 图 2-1稳态测量法原理 图 2-1 是一个最简单的稳态测
19、量网络,图中单调谐电路就是一个线性非时变网络, 其测量过程是:先将信号源 Ui(t) = sint 加到被测网络的输入端,网络的稳态响应为 (上图 a 所示)Uo(t) = H(j)sin(t+(w)。这样对于每一个特定的 ,通过被测 网络后得到一个稳态响应(上图 b 所示)H(j),响应信号与输入信号的幅值比即为该 频率的幅频响应值,而两者的相位差即为相频响应值,可以采用频率逐点步进或频率连 续变化的方法,完成整个频率特性的测量,因此,这种方法也被称为扫频法。 2.22.2 系统的主要性能指标系统的主要性能指标 本设计是基于 DDS 技术的数字扫频仪,扫频信号范围为 0Hz 70kHz;扫频
20、信号频 率分辨率不低于 1Hz;输出阻抗为 50;扫频步长可以在 1Hz 70kHz 范围内以整数 为单位自行调整,所实现的主要功能和测量精度如下: a,幅度测量精度小于 0.1V。 b,能在全频范围内自动步进测量,可预置测量范围及步进频率值。 c,能直观的显示幅频特性曲线,并能直接读出频率值及频率所对应的幅度值。 d,能存储被测网络的测量结果。 e,测量结果在 LCD 上显示。 f,输出扫频信号电压分为两个通道:通道 1 为(0 1Vpp) ,通道 2 为(0 10Vpp) 频率标记信号分两档:频标 1 为步进频率的 1 倍;频标 2 为步进频率的 56 倍。 g,扫频信号的输出衰减器衰减范
21、围:0 72dB。 南昌工程学院本科毕业设计(论文) 9 2.3 总体方案设计与论证总体方案设计与论证 通过对便携式数字扫频仪概念的理解和对技术指标的分析可知,扫频仪的设计关键 在于扫频信号源、检波器,单片机控制电路的设计,本文提出了两个设计方案。 2.3.1 方案一介绍 采用动态测量法,即冲击响应测量的方法。如图下所示,图中 e(t)和 r(t)分别是系 统时域中的激励函数和零状态响应函数,假设 e(t)和 r(t)的傅立叶变换分别是 E(j) 和 R(j),则系统的频率特性 H(j)可用式(2-1)计算: H(j)R(j)/ E(j) (2-1 ) 图 2-2冲击响应测量原理图 当输入激励
22、函数 e(t)单位冲激函数 (t)时,则输出为系统的单位冲激响 h(t), 由于(1)式中的 E(j)恒等于 1,于是就有公式(2-2) 。 (2.2) 计算得到的 H (j)为复数,包含了幅频特性和相频特性的完整信息。 本方案可以采用目前的 DSP 技术实现,只要产生一个冲激脉冲 (t),并对输出响应 进行数据采集,对输出信号进行傅里叶变换就能得到被测系统的频率特性。 2.3.2 方案二介绍 采用稳态测量法,即扫频法,如图 2-3 所示。 第二章 便携式扫频仪器方案的选择 10 微 控 制 器 C8051 DDS 扫频源 宽带 放大器 程控衰减 器 ADC 转换器 键 盘 液晶 显示器 被测
23、 网络 有效值 检波器 图 2-3扫频法测量硬件框图 扫频法是运用响应信号与输入信号的幅值比(即该频率的幅频响应值)来反映网络的 幅频特性。 本方案的硬件设计框图如图 2-3,由微控制器 ATmega128 控制 DDS 扫频源产生低频扫 频信号,经宽带放大器将信号进行放大,再由自动电平控制控制扫频信号的幅度值,最 终产生幅度可控且稳定的扫频信号。由于被测网络是线性非时变网络,所以扫频信号经 过被测网络后,在被测网络的输出端得到的是调幅波,此调幅波经过有效值检波,将载 波滤出,最后进入 ADC 转换器的信号就是反映被测网络幅频特性的信号。经 ADC 进行采 样处理,最后由微控制器将处理的采样值
24、送到液晶显示器显示,这样被测网络的幅频特 性就直观地显示出来了。 2.4 方案比较方案比较 方案一:采用动态测量的方法,这种方法的好处是不需额外添加扫频信号源,也不必 添加幅度检波电路和相位差检测电路,因而硬件工作量小,测量时间比较短。但这种方 法一般只适合用于低频系统的测量中,例如音频的分析、电声系统的分析、振动系统的 南昌工程学院本科毕业设计(论文) 11 分析等。但在实际制作中需要制作一个质量相当高的冲激激励脉冲信号源,或者频谱和 统计特性满足测量要求的任意波形或序列信号,还需要一定的数据采集速度以及数字信 号处理计算能力,这些都不易实现。 方案二:稳态测量法适用于很宽的频段,需要额外添
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