引言

在模擬電路設計和調試過程中， 測量系統的頻率響應特性是非常重要的一步。而市場上能購買到的具有分析系統頻率響應的儀器通常都比較昂貴， 而且體積較大， 一般很難接受。為此， 本文介紹了一種成本較低、體積小、操作簡單， 能滿足大部分系統測量要求的頻率響應測試儀的設計方法。

1 系統總體設計

本文介紹的是基于單片機C8051F060和頻率合成芯片AD9834開發的、可測量系統頻率響應曲線的儀器系統。其系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖。

本設計中的單片機C8051F060可控制掃頻信號源， 以產生一系列不同頻率的正弦信號， 然后將這些信號進行濾波、放大后作為被測對象的輸入送到被測網絡中， 而被測對象的輸出信號則經過調理電路輸入到單片機C8051F060中進行數據采集與處理， 并將其幅頻特性曲線、相頻特性曲線通過LED顯示出來。鍵盤可通過控制單片機來設置頻率的步進值。

2 各部分模塊的設計

2.1 主要芯片簡介

本系統中的C8051F060是美國Cygnal公司推出的完全集成混合信號片上系統型MCU。

C8051F060采用與8051兼容的專利內核CIP-51，速度高達25MIPS， 并具有59個數字I/O 引腳、5個16位通用定時器、6個帶有捕捉/比較模塊的可編程定時器/計數器陣列。同時， 片內還集成了兩個16 位、1 Msps 的ADC和2個12位DAC、3個電壓比較器、看門狗定時器， VDD監視器和溫度傳感器。該芯片上集成有64KB的FLASH和4352B內部RAM， 以及硬件實現的SPI、SMBus/I2C和2個UART 串行接口。最為便利的是， C8051F060還集成了CAN總線控制器， 這使得用CAN總線開發C8051F060具有開發費用低廉、抗干擾性強、可適用于工業現場應用等特點。

本設計選用的頻率合成芯片AD9834是AD公司生產的具有高集成度、低功耗的直接數字頻率合成器， 它使用的DDS技術是一種利用正弦信號相位隨時間線性增加的原理， 并由數字累加和數/模轉換來合成所需頻率的技術。它主要由數控振蕩器(NCO)、相位調制器、正弦查詢表ROM和1個10位D/ A轉換器組成。數控振蕩器和相位調制器主要由2個頻率選擇寄存器、1個相位累加器、2個相位偏移寄存器和1個相位偏移加法器構成， 其最高工作頻率可達50 MHz。在參考時鐘1MHz下的頻率分辨率達0.004 Hz。同時， AD9834還具有三總線串行(SPI) 接口， 可以較好地與DSP或單片機兼容， 并可以輸出正弦波、三角波和方波信號。

2.2 掃頻信號源設計

本設計采用C8051F020單片機作為控制器件，它的最高工作頻率可達到25 MHz， 并可提供一個串行外設接口SPI器件， 然后利用SPI總線向AD9834發送頻率控制字， 以使AD9834產生正弦信號， 將此差分信號通過引腳IOUT和引腳IOUTB輸出。本系統中的掃頻信號源電路如圖2所示。

圖2 掃頻信號源設計電路圖。

2.3 調理電路設計

在設計調理電路時， 可選用模擬開關ADG408來控制放大電路的增益， 以將±5 V的信號經過調理電路衰減后， 再和ADC的參考電壓相加， 從而使信號的幅度范圍達到ADC允許的范圍內(0~2.5 V)。

3 單片機C8051F060與AD9834的通訊接口

本設計采用單片機C8051F060并通過SPI接口向AD9834發送命令和數據， 再由AD9834 產生系統需要的掃頻信號。C8051F060 的SPI是一個高速同步串行輸入/輸出口， 可支持主/從形式的多機通信， 通常用于DSP 控制器和外設或另一個處理器之間以串行方式進行通信和數據交換。通信時一般使用四條線， 即串行時鐘線SPICLK、主機輸入/從機輸出線SPIMISO、主機輸出/從機輸入線SPIMOSI、從傳送使能線SPISTE。而AD9834有三根串行接口線， 且與SPI等接口標準兼容。

由于單片機只向AD9834發送數據， 而不需要接收數據， 因此， 設計時可將單片機的SPI設置為主器件， NSS置為高電平。C8051F060與AD9834的具體接口電路如圖3所示。

圖3 C8051F060與AD9834的接口電路。

4 軟件設計

本系統的軟件主要完成系統的初始化、程控放大、數據采集與處理及LCD顯示等功能。其主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖。

初始化包括系統初始化、單片機初始化、DDS初始化和液晶屏初始化。初始化之后， 就可以讀鍵值， 如果步長改變， 則清計數器和液晶屏， 沒有改變， 則可寫頻率控制字， 用程序控制其放大倍數， 采集輸出信號。如果輸出電壓超過滿量程， 則應減小放大倍數， 以使其被控制到合適的范圍內。剛好滿足時， 就可以對輸入、輸出信號兩端同時采集， 待采集完成后， 再對輸入信號和輸出信號分別進行傅里葉變換， 然后計算出各自的幅度和相位， 再用輸出端的幅度除以輸入端的幅度， 就可以得到被測網絡對應頻率的放大倍數， 然后用輸出端信號的相位減去輸入端信號的相位， 就可以得到被測網絡對應頻率的相頻響應。最后將計算出的結果通過LCD顯示出來。本系統選用320240B液晶顯示器， 并使用功能強大的RA8835/ SED1335作為控制器， 一屏最多可顯示320個點， 當這320個點全部顯示完成時， 掃頻結束， 掃頻結束后， 還可以進行頻率響應函數的計算。否則就返回， 以進行下一個頻率的測量。

5 結束語

通過本文所設計的頻率響應測試儀可測出被測網絡的響應信號與激勵信號的幅值比和相位差， 從而求出系統的幅頻特性和相頻特性， 再由求得的頻率特性進一步求出系統的傳遞函數。該設計由于輸入信號頻率成分單一， 信號穩定， 能量集中， 因此， 求出的結果精確度高， 從而克服了其他方法中激勵信號成分復雜， 各成分的能量分布不均勻， 持續時間短， 能量不足， 噪聲影響較大等缺點。