1、 南 昌 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 ) 机械与电气工程 学院 09 自动化 专业 毕业设计（论文）题目： 基于 AD9851 的便携式数字扫频仪器的设计 （硬件设计） 学 生 姓 名： 张福生 班 级： 09 自动化 学 号： 2009100326 指 导 教 师： 芦 莉 完 成 日 期： 2013 年 4 月 12 日 基于 AD9851 的便携式数字扫频仪器的设计 (硬件设计 ) Design of portable digital based on AD9851 sweep frequency instrument (hardware design) 总计 毕业设计（论
2、文） 33 页 表 格 0 个 插 图 23 幅 I 摘 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
3、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 扫频仪 DDS 技术 增益控制 II Abstract Sweep generator is an instrument for measuring transmission characteristics of the network. In this
4、paper, the working principle of sweep generator were analysed emp hatically, then a design scheme based on DDS technology were 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.
5、 In this design, the sweep generator consists of several parts, they respectively are swept signal generator circuit, gain control circuit, automatic voltage control circuit， detecting head output circuit， atmega128 microcontroller,power module circuit In which swept signal generator adopt the pure
6、digital technique which has high-speed frequency conversion time, extremely high frequency resolution, lower phase noise and the outstanding advantage of programe control, super add the gain control circuit and Automatic voltage control circuit, the sweep generator can adapt to various test requirem
7、ents. Embedded microprocessor AD9851 we re used as the control and processing and the compositive magnitude and phase detecting 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 genera
8、tor can make stepping measurementautomatically in the whole frequency range. We can preset measuring range and stepping frequency, so the detailed frequency characterist ic curves can be seen clearly. This function brings users much convenience. Key words: sweep generator DDS techonology gain contro
9、l 目 录 摘 要 . I ABSTRACT .II 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 . 1 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 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
10、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 3.3 ALC 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 LCD192X64 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 AD985
11、1 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 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
12、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
13、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 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
14、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。 （ 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。这种装置包含一个第一章 绪论 2 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
15、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。 （ 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
16、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
17、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 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
18、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 ， 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
19、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) = sin t 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 )si
20、n( 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。 2.2 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围： 0 72dB。
