以單片機(jī)為核心的頻率響應(yīng)測(cè)試儀方法設(shè)計(jì)

引言

在模擬電路設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中， 測(cè)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性是非常重要的一步。而市場(chǎng)上能購(gòu)買到的具有分析系統(tǒng)頻率響應(yīng)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(jiǎn)單， 能滿足大部分系統(tǒng)測(cè)量要求的頻率響應(yīng)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文介紹的是基于單片機(jī)C8051F060和頻率合成芯片AD9834開發(fā)的、可測(cè)量系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線的儀器系統(tǒng)。其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。

本設(shè)計(jì)中的單片機(jī)C8051F060可控制掃頻信號(hào)源， 以產(chǎn)生一系列不同頻率的正弦信號(hào)， 然后將這些信號(hào)進(jìn)行濾波、放大后作為被測(cè)對(duì)象的輸入送到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)中， 而被測(cè)對(duì)象的輸出信號(hào)則經(jīng)過調(diào)理電路輸入到單片機(jī)C8051F060中進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jī)來設(shè)置頻率的步進(jìn)值。

2 各部分模塊的設(shè)計(jì)

2.1 主要芯片簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)中的C8051F060是美國(guó)Cygnal公司推出的完全集成混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU。

C8051F060采用與8051兼容的專利內(nèi)核CIP-51，速度高達(dá)25MIPS， 并具有59個(gè)數(shù)字I/O 引腳、5個(gè)16位通用定時(shí)器、6個(gè)帶有捕捉/比較模塊的可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器陣列。同時(shí)， 片內(nèi)還集成了兩個(gè)16 位、1 Msps 的ADC和2個(gè)12位DAC、3個(gè)電壓比較器、看門狗定時(shí)器， VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。該芯片上集成有64KB的FLASH和4352B內(nèi)部RAM， 以及硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和2個(gè)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(fā)C8051F060具有開發(fā)費(fèi)用低廉、抗干擾性強(qiáng)、可適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等特點(diǎn)。

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

2.2 掃頻信號(hào)源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用C8051F020單片機(jī)作為控制器件，它的最高工作頻率可達(dá)到25 MHz， 并可提供一個(gè)串行外設(shè)接口SPI器件， 然后利用SPI總線向AD9834發(fā)送頻率控制字， 以使AD9834產(chǎn)生正弦信號(hào)， 將此差分信號(hào)通過引腳IOUT和引腳IOUTB輸出。本系統(tǒng)中的掃頻信號(hào)源電路如圖2所示。

圖2 掃頻信號(hào)源設(shè)計(jì)電路圖。

2.3 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)調(diào)理電路時(shí)， 可選用模擬開關(guān)ADG408來控制放大電路的增益， 以將±5 V的信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路衰減后， 再和ADC的參考電壓相加， 從而使信號(hào)的幅度范圍達(dá)到ADC允許的范圍內(nèi)（0~2.5 V）。

3 單片機(jī)C8051F060與AD9834的通訊接口

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)C8051F060并通過SPI接口向AD9834發(fā)送命令和數(shù)據(jù)， 再由AD9834 產(chǎn)生系統(tǒng)需要的掃頻信號(hào)。C8051F060 的SPI是一個(gè)高速同步串行輸入/輸出口， 可支持主/從形式的多機(jī)通信， 通常用于DSP 控制器和外設(shè)或另一個(gè)處理器之間以串行方式進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。通信時(shí)一般使用四條線， 即串行時(shí)鐘線SPICLK、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出線SPIMISO、主機(jī)輸出/從機(jī)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(biāo)準(zhǔn)兼容。

由于單片機(jī)只向AD9834發(fā)送數(shù)據(jù)， 而不需要接收數(shù)據(jù)， 因此， 設(shè)計(jì)時(shí)可將單片機(jī)的SPI設(shè)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(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件主要完成系統(tǒng)的初始化、程控放大、數(shù)據(jù)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(tǒng)初始化、單片機(jī)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(zhǎng)改變， 則清計(jì)數(shù)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(shù)， 采集輸出信號(hào)。如果輸出電壓超過滿量程， 則應(yīng)減小放大倍數(shù)， 以使其被控制到合適的范圍內(nèi)。剛好滿足時(shí)， 就可以對(duì)輸入、輸出信號(hào)兩端同時(shí)采集， 待采集完成后， 再對(duì)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)分別進(jìn)行傅里葉變換， 然后計(jì)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(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)頻率的放大倍數(shù)， 然后用輸出端信號(hào)的相位減去輸入端信號(hào)的相位， 就可以得到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)頻率的相頻響應(yīng)。最后將計(jì)算出的結(jié)果通過LCD顯示出來。本系統(tǒng)選用320240B液晶顯示器， 并使用功能強(qiáng)大的RA8835/ SED1335作為控制器， 一屏最多可顯示320個(gè)點(diǎn)， 當(dāng)這320個(gè)點(diǎn)全部顯示完成時(shí)， 掃頻結(jié)束， 掃頻結(jié)束后， 還可以進(jìn)行頻率響應(yīng)函數(shù)的計(jì)算。否則就返回， 以進(jìn)行下一個(gè)頻率的測(cè)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過本文所設(shè)計(jì)的頻率響應(yīng)測(cè)試儀可測(cè)出被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)的幅值比和相位差， 從而求出系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性， 再由求得的頻率特性進(jìn)一步求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。該設(shè)計(jì)由于輸入信號(hào)頻率成分單一， 信號(hào)穩(wěn)定， 能量集中， 因此， 求出的結(jié)果精確度高， 從而克服了其他方法中激勵(lì)信號(hào)成分復(fù)雜， 各成分的能量分布不均勻， 持續(xù)時(shí)間短， 能量不足， 噪聲影響較大等缺點(diǎn)。