1、简易幅频特性测试仪摘要根据题目要求，设计了一种幅频特性测试仪。采用精度为 8 位的 DAC 芯片 DA0832，产生有效值为 1V 的正弦波。采用具有 10 位 ADC 功能的单片机 STC12C5A60S2，实现被测信号的检测。采用运算放大电路，实现提高输入阻抗和降低输出阻抗的目的。采用按键功能，可设定输出正弦波的频率。经测试，该幅频测试仪能够输出有效值为 1V 的正弦波、无明显失真、全频段幅度误差在% ，输出正弦波的频率范围为 100-10kHZ、误差为% ，交流信号的测量精度为%、分辨率为 0.01V，输出阻抗小于 10，输入阻抗大于 100k。关键词： DAC0832 10 位 ADC
2、 频率可调正弦波 目录1方案论证与比较.11.1 总体思路 .11.2 各模块方案的选择与论证 .22 系统设计.52.1 总体设计 .52.2 硬件电路设计 .52.2.1 拉力值测量模块 .52.2.2 电机驱动模块 .82.2.3 透明胶被拉动距离测量模块 .83 软件设计 .103.1 算法的标定实验 .103.2 软件流程 .144系统测试.164.1 测试仪器、设备 .164.2 测试方法步骤与结果分析 .174.2.1 拉力值的测试 .174.2.1 拉伸距离的测试 .175 结论.18参考文献：.19附录：.20附 1：电路图 .20附 2： 实验测试图 .21附 3：实物图
3、.2211方案论证与比较1.1总体思路根据题目的要求，该幅频特性测试仪的功能是能够输出可调频率的正弦波给被测电路，并测量经过测量电路后的正弦波信号的变化，从而得出被测电路的幅频特性。其原理：当被测电路的输入为正弦信号时,则输出的稳态响应也是一个正弦信号,其频率和输入信号的频率相同,但幅度和相位发生了变化,而变化取决于角频率 X。若把输出的稳态响应和输入正弦信号用复数表示,并求它们的复数比,则得公式（1-1）：（1-1）()jGjAe其中 G（j ）称为频率特性,A（ ）是输出信号的幅值与输入信号幅值之比,称为电路网络幅频特性。e j ( )是输出信号的相角与输入信号的相角之差,称为相频特性。其
4、中,电路幅频特性是电路网络的一个重要特性,本文探讨电路网络幅频特性参数的测试。在实际测量中,用一个随着时间按一定规律,并在一定频率范围内扫动的信号对被测电路进行快速、定性或定量的动态测量,给出被测电路网络的电路网络幅频特性实时测量结果。测量原理见图 1-1：被 测网 络正 弦 激励 信 号数 据 采 集 和 处 理图 1-1 测量原理为了显示被测电路在不同频率下，输出信号对输入信号的放大倍数图像，必须要有显示模块。为了能控制仪器输出不同范围的频率，必须要有按键输入模块。C P U显 示按 键信 号 处 理正 弦 波 信 号 被 测 电 路信 号 检 测图 1-2 幅频特性测试仪原理框图2经以上
5、总体思路分析，得出以下系统原理图，如图 1-2 所示。由本系统产生正弦激励信号去激励被网络，通过采集输入被测网络之前的信号幅值与从被测网络出来的信号的幅值，相除得到被测对各频率正弦信号的增益情况，从而得出被测网络的电路网络幅频特性。 1.2各模块方案的选择与论证根据幅频特性测试仪原理框图可知，该测试仪主要由四部分组成，分别为正弦波发生模块、控制模块、交流信号幅值检测模块和显示模块。下面对这四部分进行方案的选择与论证。（1）正弦扫频信号发生模块方案正弦扫频信号发生器是本设计的核心部分。要求能产生优于 5HZ 误差的频率，且在100HZ10KHZ 范围内,步进为 100HZ。方案一：采用传统的直接
6、频率合成法合成。经过混频、倍频、分频网络和带通滤波器完成对频率的算术运算。但由于采用大量的模拟环节，导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易引入干扰，影响系统的稳定性，难以达到较高的频谱稳定性。方案二：采用锁相环间接频率合成（PLL） 。虽然具有工作频率高、宽带、频谱质量好的优点，但是由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长，很难满足系统要求的高速度指标。另外，由于模拟方法合成的正弦波参数都很难控制，不易实现。方案三：采用直接数字式频率合成（DDS） 。其原理如图 1-3 所示，用控制芯片的存储器储存的所需波形量化数据，按不同频率要求，以频率控制字为步进对
7、相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据，经过 D/A 转换和幅度控制，再滤波即可得到所需波形。由于 DDS 具有带宽很宽，频率转换时间极短（小于 20s） ，频率分辨率高，全数字化结构便于集成等优点，以及输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控，完全可以满足本题目的要求。DDS 有着较多的优点，但是 DDS 技术也有内在的缺陷杂散噪声。正 弦查 询 表R O M数 / 模转 换 器D A C二 阶 低 通滤 波 器outfCLKf图 1-3 DDS 原理框图为了全面实现题目的要求，选择最合适的三号方案作为正弦波扫频信号发生器的核心，实现高速、高精度、高稳定性的正
8、弦信号输出。3（2）控制模块方案方案一：用 FPGA 等可编程器件作为控制模块的核心。FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，体积小，稳定性高，易于功能扩展，采用并行的输入/输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。就 FPGA 的制造工艺而言，FPGA 掉电后数据会丢失，上电后必须进行一次配置，因此 FPGA 在应用中需要配置电路和一定的程序，并且 FPGA 器件作为一个数字逻辑器件，竞争和冒险正是数字逻辑器件较为突出的问题，因此在使用时必须注意毛刺的消除及抗干扰性，从而增大了电路或程序的复杂程度和可实施性。方案二：用 STC12C5A60S2 单片机为
9、系统的主控核心。单片机具有体积小，使用灵活，拥有较强的指令寻址和运算功能等优点，而且单片机的功耗低，价格低廉。采用单片机作为控制器比 FPGA 更适合本系统的规模。充分考虑到综合性价比和控制的方便程度，确定选择方案二作为系统的控制核心模块方案。（3）交流信号幅值测量方案方案一：采用真有效值转换芯片（如 AD637） 。将输入信号转换成有效值的形式输出，供后级的 A/D 采样。此种方案的测量精度较高，但由于有效值转换芯片转换的过程相对较长（一般为几十到几百个 ms） ，对于幅频特性，需要采集很多个点，此种方案的测量过程将是很长的。方案二：采用 ADC 测量方式。这种方案只要将经过被测电路的信号输
10、入经过 ADC 转换，在控制芯片中对数据进行处理，筛选出幅值。该方案的优点是电路和程序控制都简单易行。缺点是赋值的测量精度取决于 ADC 转换芯片的转换速度和控制芯片的运算速度。综合所有的因素，采用方案二更适合本设计。（4）显示模块方案方案一：采用 LED 数码管显示。虽然功耗低，控制简单，但显示能力有限，人机界面较差。方案二：采用 12864 液晶屏显示。可以显示多种字符，并能同时显示多组数据、汉字，字符清晰，人机界面友好。方案二的液晶显示方式有效解决 LED 只能显示数字等几个简单字符的缺点，具有性能好，控制方便，显示方式多的优点。因此本设计采用方案二的 12864 液晶显示屏作为显示模块
11、。42 系统设计2.1 总体设计系统总体框架如图 2-1 所示，由 STC12C5A60S2 单片机处理器控制 DAC 转换芯片DAC0832 产生正弦激励信号去激励被网络，将信号进行处理后输送给具有 ADC 功能的单片机，实现从被测网络出来的信号的幅值的采集与处理目的，即可得到被测电路对各频率正弦信号的增益情况，从而得出被测电路的幅频特性。S T C1 2 C 5 A6 0 S 2单 片 机液 晶 显 示四 位 独 立按 键D A C 0 8 3 2正 弦 波发 生 电 路被 测 电 路正 弦 波信 号信 号 预 处理 电 路A D C信 号 预 处 理电 路图 2-1 系统总体框架2.2
12、硬件电路设计系统的核心硬件电路主要由两个部分组成，分别为正弦波信号发生模块和信号预处理模块。下面对这两个模块进行理论分析与参数计算。2.2.1正弦波信号发生模块正弦波信号发生模块的具体硬件结构由两个部分组成，分别为基准源电路和DAC0832 转换电路，下面对这两部分做详细的介绍。（1）基准源电路TL431 的内部含有一个 2.5V 的基准电压，所以当在 REF 端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。如图 2-2 所示的电路中，当 R1 和 R2 的阻值确定时，两者对 Vo 的分压引入反馈，若 V o 增大，反馈量增大，TL431 的分流也就增加，从而又导致 V
13、o 下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在 VI等于基准电压处稳定，此时有公式（2-1）：（2-1）refoRV)1(2选择不同的 R1 和 R2 的值可以得到从 2.5V 到 36V 范围内的任意电压输出，需要注意的是，在选择电阻时必须保证 TL431 工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于 1 mA 。本设计采用的是 TL431 作为 DAC0832 的电压基准源 +2.5V，根据公式（2-2）可5得当 R1 取零，R 2 取无穷时，输出电压为+2.5V。（2-2）)(5.2*)01(VVo图 2-2 TL431 典型应用图（2）DAC0832 转换电路DAC0832 是一款转换精度为
14、8 位，转换速度为 1 的 D/A 转换器芯片。V ref 引脚s为芯片提供参考电压；RFB 为反馈电阻引出端,与运算放大器输出端相连接；DI7 DI0 数字量输入信号，其中 DI0 为最低位，DI7 为最高位；CS 为片选信号, 低电平有效；WR1 为写信号 1，低电平有效；XFER 为转移控制信号，低电平有效；WR2 为写信号2，低电平有效；I OUT1 为模拟电流输出端 1，当输入数字为全 1 时, 输出电流最大，全 0时, 输出电流为 0，如公式（2-3）：（2-3）RFBVref256IOUT2 为模拟电流输出端 2，其与 IOUT1 的关系如公式（2-4）IOUT1 + I OUT
15、2 = C （常数） （2-4）如图 2-3 所示，通过控制片选端、写数据端和数据位，从而控制 DA0832 输出模拟量，本仪器采用如图 2-3 所示的单缓冲工作方式应用图，一个输入寄存器工作于直通状态，DAC 寄存器工作于受控状态，此时只需一次写操作，就开始转换，转换后直接输出数据，提高了 D/A 的数据吞吐量。图 2-3 单缓冲工作方式应用图其调幅的原理为：当数据口输入的数字量为 0FFH=255 时，有公式（2-5）所示的电流量输出：（2-5）RFBVIrefout2561输出电压如公式（2-6）所示：（2-6）refoutIV*16断电和串口时钟输入端为 PD_SCK。通过控制输入该端
16、口电平的不同时序，可以实现数据输入、输出和增益通道的选择，时序图如图 2-4 所示。图 2-4 DAC0832 时序图72.2.2电机驱动模块 2在电机驱动模块的方案讨论中拟定采用 LM298 芯片驱动直流减速电机。其硬件电路如图 2-5 所示。LM298 内有两个 H 桥式电机驱动电路，可用来驱动两个直流电机，本方案中只用其中的一个 H 桥，标号为 A。在该电路中，电机的两端各安装有两个二极管，这些二极管都是从驱动器的输出端连接到电机的电源端，或者接地端，其作用能限制和消除感应尖峰电压。其驱动原理：LM298 芯片的 1EN 是标号为 A 的 H 桥的使能端，1A1 和 1A2 可以控制电机
17、的正反转。在控制电机的时候，当使能端 1EN 置高电平时，1A1 和 1A2 置不同的高低电平时，电机实现正或反向转动。当使能端 1EN 置低电平时，不管 1A1 和 1A2的电平如何变化，电机均停止转动，从而实现电机正反向转动和停止的控制。图 2-5 LM298 电机驱动电路2.2.3 透明胶被拉动距离测量模块 3该模块的主要硬件电路是编码盘和光电传感器，如图 2-6 和图 2-7 所示。硬件结构为：将黑白颜色块相互间隔的编码盘安装在电机的转轴上，编码盘穿过微型槽型对射光电传感器。其原理：当电机转动时，编码盘穿过对射式光电传感器的槽型对射光电开关旋转，当编码盘上的黑色部分挡住光线时，输出低电
18、平，当光线透过编码盘的白色部分时，输出高电平，从而产生高低电平变化的脉冲，即把电机的旋转角度转换为脉冲数的大小。将脉冲输送给单片机的中断功能进行计数即可得到拉动的距离。根据如图所示的编码盘，从白色部分和相邻黑色部分依次穿过槽型对射光电开关的时候，将产生一个从高电平到低电平的下降沿，输送给单片机的外部中断输入端从而触发中断。根据标定实验发现，进入中断的次数与透明胶被拉动的距离是成线性关系的。8因此，累计进入中断的次数，即可得到透明胶带被拉动的距离。图 2-6 编码盘光电传感器的核心部件为红外发光二极管和硅平面光电三极管，发光二极管不间断地发送红外光束，当编码盘的黑色部分挡住光束时，光电三极管不导通，输出低电平，反之输出高电平。输出脉冲经过 TTL 电平转换电路，如图 2-5 中运算放大器、R 3 和 R4所示，其构成一个单限比较器，输出即为 TTL 电平脉冲，满足单片机的检测需要。图 2-7 光电传感器原理图
