1、 本 科 毕 业 设 计 简易放大器频率特性测试仪的设计（测试部分） 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II 摘要 扫频仪也称频率特性测试仪，用于测试网络的频率特性和相频特性，在现代社会中占有重要地位的电子测量。使用频率测试 仪可以快速对被测网络进行动态测量，得到所测的实时网络传输特性的测量结果。频率测试仪是学校教学和科研工作中经常是作为测量仪器。 本设计主要以单片机为控制核心，设计了一个频率特性测试仪 (测试部分 )。主要阐述了该仪器的结构、工作原理和性能特点。以单片机 AT89C52 为控制核心，控制整个系统协调工作并实时对所测数据进行处
2、理， LCD 显示幅频特性和相频特性曲线，实现了系统的小型化和数字化。整个系统包括 峰值测量电路、控制电路、相位差测量电路以及数控衰减网络 。本文提出了频率特性测试仪测量部分的设计方案。该频率特性测试仪的设 计中，在满足性能要求的前提下，尽量采用低价的器件，从而有效地降低了测试仪的开发成本。另外，该测试仪被设计为具有多功能的系统，它可以作为测量仪器使用。 关键词 : 频率特性测试仪；电子测量；幅频特性；相频特性；单片机 III Abstract Sweep, also known as frequency tester, to test the network frequency charac
3、teristics of amplitude and phase frequency characteristics, in the modern electronic measuring occupies an important position. Frequency sweep technique using tester can quickly test the network of dynamic measurement, obtained transmission characteristics of the measured real-time network measureme
4、nts. Test frequency is the school teaching and research work are often used as a measuring instrument. The design of the main core of the microcontroller to control the design of a frequency tester. Mainly discusses the structure of the instrument, working principle and performance characteristics.
5、AT89C52 microcontroller as the control center to control the coordination of the whole system and measured in real time data processing, LCD display amplitude-frequency characteristic and phase-frequency characteristic curve of the system to achieve the miniaturization and digital technology. The sy
6、stem includes peak measurement circuit, control circuit, phase difference measuring circuit and the NC attenuation network. In this paper, the frequency characteristics of the test part of the design of measurement. The frequency characteristics of the test instrument design, to meet the performance
7、 requirements of the premise, as far as possible low-cost devices, effectively reducing the development cost tester; In addition, the test instrument is designed to have a versatile system that Can be used as measuring instruments used. . Key words: frequency tester;electronic measurement; frequency
8、 characteristics; phase frequency characteristics; SCM IV 目录 前言 . 1 第 1 章 绪论 . 2 1.1 关于课题 . 2 1.2 基本知识 . 2 1.3 频率特性的基本概念 . 4 1.4 频率特性的两种测试方法 . 4 1.5 扫频仪和网络分析仪 . 4 第 2 章 关于频率特性测试仪 . 4 2.1 频率特性测试仪的基本原理 . 4 2.2 我国频率特性测试仪的市场现状 . 5 第 3 章 频率特性测试仪的系统设计 . 6 3.1 频率测试仪系统功能概述 . 6 3.2 系统设计方案 . 6 3.3 基于 89C52 单片
9、的控制电路设计 . 6 3.3.1 最小单片机系统 . 7 3.4 单片机与 LCD 的接口电路设计 . 7 3.5 信号放大输出电路 . 7 3.6 相位测量电路设计 . 8 3.6.1 相位测量原理 . 8 3.6.2 相位测量 的依据 . 9 3.6.3 测相电路硬件设计 . 9 3.7 幅值测量电路 . 10 3.7.1 峰值检测电路 . 10 3.7.2 A/D 转换器 MAX197 介绍 . 13 3.7.3 数据采样基础 . 15 3.7.4 MAX197 和单片机的接口电路 . 16 3.8 输入衰减电路设计 . 17 3.9 关于 LCD 显示 . 18 3.9.1 液晶显示
10、模块介绍 . 18 V 3.9.2 液晶显示模块指令 . 20 3.9.3 图形显示原理 . 21 第 4 章 系统软件设计 . 22 4.1 单片机测 量控制程序的设计 . 22 4.1.1 相位测量程序的设计 . 23 4.1.2 幅值测量程序的设计 . 23 结论 . 25 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 26 1 前言 频率特性测试仪也叫扫描仪，早期的频率特性测试仪是通过手动改变频点逐点测量完成，以后这种方法的目的是根据所使用的频率测量仪的具体特点的方法。早期的分 立元件测量基本实现各种功能，显示部分是一些传统的示波器。所以操作复杂、价格更昂贵、体积大、容易出故障，有的单
11、能测量幅频特性，而且精度不是很高。像 BT6 型这样超低频的频率特性测试仪，是采用的分立元件。由于是分立元件的分散性大，参数的变化与外部的条件有关，所以产生的频率不是很稳定、精度不够、没有强的抗干扰，成本却更高。 随着频率的合成技术以及微电子的技术的发展，频率特性测试仪发生了改变，扫频源也采用的数字量进行了控制，数字化的信号源能加强分立元件的缺点不足，测量部分同时进行了数字式的改进，大多是在低频段的 (小于 1MHz)，测试仪的智能化的程度仍就不高，扫频范围不是很宽，相位测量的精度也不高，但是有一些测试仪可以具有的高精度和很宽的扫频范围，可是价格太昂贵。 近年来，随着现代的电子技术的飞速发展，
12、各样仪器都在偏向小型化、智能化、功耗低的方向发展，频率特性测试仪是作为一种极其重要的测量工具，同时在不断的发展，也由于直接频率的合成 (DDS)技术在日益成熟，给频率特性测试仪在数字化上开辟了道路，在液晶显示器技术不断成熟的现在把频率特性测试仪的小型化成为了可能。 2 第 1 章 绪论 1.1 关于课题 随着电子技术的飞速发展，我们能够获得的数字和信息时代，通过各种数码产品的广泛应用为特征。提高现代数码产品的性能，越来越复杂，而升级和快速的节奏。在产品设计和生产，现代电子设计技术和微电子技术是相辅相成相互促进相互制约两个技术问题。它反映了现代先进的，电子理论，电子技术。设计过程中，随着最新的计
13、算机软件技术的有机结合和升华和设计技术。微电子技术是在广度和深度开发的硬件电路的发展。 20 世纪进入 90 年代后期，出现的高级语言描述的、综合技术和系统级仿真特点的第三代EDA 工具。在这一个 阶段的 EDA 技术它的特征为 : 1) 综合的理论方法的体现： EDA 的设计层次是由 RTL 级提高到系统级，相应的推出的行为级的多功能的优化工具，减少了设计时间。 2) 测试的综合试验的实现：开发了内建自测试、 扫描的插入、边界性的扫描等测试性工具，并集合在了 EDA 的系统中。 3) 到具有嵌入式软件和硬件协同设计工具设计提供有 PI 的核心。 4) 并行设计工程框架，建立一个统一的设计环境
14、。电子技术的空前发展新兴的高科技，电子测试设备更加相关的日新月异，推陈出新。现代电子测量一方面以现代科学技术的最新发展成果应用， 仪器是一种先进技术的综合反映：另一方面，先进的电子测试设备的广泛应用，极大地推动了科学的进步和技术，使电子测试设备已被越来越多的关注。测试频率振荡器的频率扫描，通过测试网络信号的频率增加，如二维显示通用设备数据的频率相频特性的方法。该仪器可大大简化了电子工程测试，其自动化网络测试使用，有可能有复杂的系统元件的测试，调整几万，而且也是应用面迅速扩大。在其他国家，该技术远远超过了其他计量器具更多的进展。对进口，模仿开发经验的测试频率特性，三个发展阶段，技术的发展取得了长
15、足的进步。然而，现有的测试仪器，他们使用的 频率特性模拟，电路的复杂性和昂贵。并不能直接从得到的频率特性，无法保存和打印的频率特点，给用户带来诸多不便。 1.2 基本知识 A/D 转换 1 A/D 转换器的分类 简要介绍常用类型的基本原理以及特点：逐次逼近型、积分型、 -调制型、并行比较型 /串并行型、压频变换型以及电容阵列逐次比较型。 1）逐次比较型（如 TLC0831） 逐次比较型由一个比较器和 DA 转换器通过逐次逼近 AD 的逻辑构成，从 MSB，一按顺序每个输入电压和启动内置的 DA 转换器输出进行比较，比较了 N 和输出数字值。属于中等规模的电路。其优点是 高速，低功耗 ,低分辨率
16、（ 12）时价格高。 2）积分型（如 TLC7135） 积分型 AD 原理是输入电压转换时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器 /计数器获得数字值。其优点是简单的电路可以得到高分辨率，但缺点是转换精度依赖于积分时间，转换率非常低。初期的单片 AD 转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。 3 3） - (Sigma?/FONTdelta)调制型（如 AD7705） -型 AD 由比较器、积分器、数字滤波器和 1 位 DA 转换器等组成。原理跟积分型类似，将输入电压转换成时间 (脉冲宽度 )信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到
17、高分辨率。主要用于音频和测量 10。 4）并行比较型 /串并行比较型（如 TLC5510） 并行比较型 AD 有多个比较器，只进行一次比较而做到实行转换，又称 FLash)型。因为它的转换速率很高，所以 n 位的转换就要需要 2n-1 个比较器进行，因此电路规模也会很大，当然价格就高了，只适用于视频 AD 转换器及速度特别高的领域 10。 串并行比较型 AD 在结构上介于逐次比较型和并行型之间，典型的就是由 2 个 n/2 位的并行型 AD 转换器配合 DA 转换器组成，两次比较实行转换，所以称为 Half flash 型。还有分成三步或多步实现 AD 转换的叫做分级型 AD，而从转换时序角度
18、可称为流水线型 AD，现代的分级型 AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类速度比逐次比较型高，电路 规模比并行型小 10。 5）电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型 AD 可称为电荷再分配型，因为其内置 DA 转换器中采用电容矩阵方式。一般的电阻阵列 DA 转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高 精度的电阻并不容易。如果你更换一个电 阻电容阵列，该阵列可低成本高精密单芯片 AD 转换器。逐次比较型 AD 转换器大多为电容阵列式的。 2、技术指标 1） 分辩率指模拟信号的变化量是根据数字量变化的最小量确定，定义为满刻度与 2n 的比值。分辩率也称精度，一般以数字信
19、号的位数来表示。 2） 转换速率是指如果完成一次从模拟转换到数字的 AD 转换所需的时间的倒数。积分型AD 的转换时间是毫秒级属低速 AD，逐次比 较型 AD 是微秒级属中速 AD，全并行 /串并行型 AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率必须小于或 等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是 ksps 和 Msps，表 示每秒采样千 /百万次 3） 量化误差由于 AD 的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率 AD 的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率 AD（理想 AD）的转移特 性曲线（直线）之
20、间的最大偏差。通常是 1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为 1LSB、 1/2LSB。 4） 偏移误差是指输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。 5） 满刻度是误差满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。 6） 线性度实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。 其他指标还有：绝对精度，相对精度，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真缩写和积分非线性。 信号采样 采样也称抽样，是信号在时间上的离散化，即按照一定时间间隔 t 在模拟信号 x(t)上逐点采取其瞬 时值。它是通过采样脉冲和模拟信号相乘来实现的。 采样间隔的选择和信号混淆：对模拟信号采样
21、首先要确定采样间隔。如何合理选择 t 涉及到许多需 要考虑的技术因素。一般而言，采样频率越高，采样点数就越密，所得离散信号就越逼近于原信号。但过 高4 的采 样频率并不可取，对固定长度（ T）的信号，采集到过大的数据量（ N=T/ t），给计算机增加不必要 的计算工作量和存储空间；若数据量（ N）限定，则采样时间过短，会导致一些数据信息被排斥在外。采样 频率过低，采样点间隔过远，则离散信号不足以反映原有信号波形特征，无法使信号复原，造成信号混淆。 直观地说信号混迭是把本该是高频的信号误认为低频信号。 1.3 频率特性的基本概念 频率特性指系统 以 传递不同频率的正弦信号的性能，包括幅度频率特性
22、和相位频率特性正弦信号系统 。 幅频特性的描述在稳态正弦信号衰减或放大下，为不同的输 入频率特性 ；相位频率特性描述系统的稳态输出对于不同频率的正弦输入信号的相位滞后或超前的特性。 1.4 频率特性的两种测试方法 1) 冲激相映测试法 2）扫频测试方法 系统在正弦信号激励下，输出响应达到稳态时，是与输入激励信号频率相同的正弦波，响应信号与输入信号的幅值比即为该频率的幅频响应值，两者的相位差即为相频特性值。 1.5 扫频仪和网络分析仪 早期测试的频率特性是通过手动改变频点逐点测量完成，不过后来根据此方法设的测试仪是专为扫频测量仪器的。 检测网络的输出信号幅度和相位响应可以设计出不同的探测器 ，探
23、测器的峰值振幅的检测方法，有效值等。振幅关键性能指标检测范围内的动态范围，频率范围和自身的频率响应特性，精度，匹配阻抗。第一阶段的主要性能指标检测分辨率是准确的。对模拟或数字结果来衡量的基础上，对网络信号和输入输出信号幅度的比率获得幅频特性，通过之间的相频特性的相位差获得。测量幅度和相位测量的模拟方法可以是数字或模拟数字混合方法的探讨。对于低频率信号，可以添加 DSP 的 ADC 以实现全数字化的幅度测量方法。高频信号可以模拟的 RMS 检波器，然后由 ADC 转换为数字。 现代扫描仪和网络分析仪通常用于显像管， LCD（液晶显示器）来显示测试结果。网络分析仪具有多种功能和复杂结果的图形显示。
24、许多没有监视器的扫描信号源设备，使用频率测量，需要和示波器一般组成或专用的显示扫描测量系统中，无论是在扫了扫振荡器同步工作，使签署的频率范围（频率标准）的频率特性曲线图。早期的 CRT 显示器只能显示响应曲线，使用的光栅扫描显示技术和存储，图形和文字可以显示曲线 6。 第 2 章 关于频率特性测试仪 2.1 频率特性测试仪的基本原理 对于一个电子部件，一个网络或一个系统的频率特性是用实验方法测试。测试方法：点频测量法和扫频测量法。 如 图 2.1 所示。开始测试时，从低信号逐点调高，幅频率保持不变，在读出电压表的各自的数值。然后把信号频率的变化为横坐标，电压幅值为纵轴，逐点制定相应的频率的电压
25、5 值，我们可以描述一个流畅的曲线，即由所测的幅度频率特性系统曲线。 图 2.1 点频测量的方框图 扫频测量法是点频测量法的改进，其方框图如图 2.2 所示。一方面，完善测试信号扫频信号源 ，调整信号源逐点调节改成逐点动态扫描频率 ;另一方面，提高接收信号的指标，用示波器显示信号随频率变动的轨迹，从而得到幅频特性曲线。 通常把扫频信号发生器、峰值检波器、示波器、频标信号发生器组成一个整体，即为频率特性测试仪，也称为扫频仪。 图 2.2 扫频测量方框图 2.2 我国频率特性测试仪的市场现状 中国现在是测试仪器市场的频率特性，这种现象的存在：需要使用的频率测试和用户在不同的场合很多 ，但真正的频率
26、特性可以由用户拥有和使用小测试。这种现象主要是由于对市场价格高测试仪器的频率特性的形成，但实际用户的购买力不足。 目前两知名公司在市场上的产品的国际文书的频率特性测试，部分产品也有一些国内厂家。著名设备公司。产生的频率测试仪，该范围，性能好，技术含量高最 ;和国内产品相对较少的技术和国外产品的性能。但不管是国内的产品或外国产品，其价格都非常高，如目黑（目黑日本）公司城市生活垃圾的 7625A 型测试仪频率特性，扫频范围为 455KHz-1IOMHz，价格是2.857 万元 ;德国 R 工程 S 型公司的 SWOBS 测试仪频率特性，扫频范围为 IHZ 的 -I000MHz，价格为 8500 元：在德克萨斯州总参谋长 631322/ D 型高频测试仪，研究所的国内生产频率扫描范围为 IOMHz-1000MHz 的，价格是 5500 元：国家庆华仪器厂生产 BT15A 型频率测试仪，扫频范围是 1300MHz，价格是 3600 元。所以钱不是很一般的用户，如足够：中小学校，他们是一个巨大的开支难以承受，使它们出现了很多用户需要的频率测试仪，但真正使用的用户却没用太多的现状 3。 正弦信号发生器 电压表 电压表 示波器 被测电路 扫频信号发生器 被测电路 峰值检波器 示波器
