数字控制低频扫描仪的设计与实现*

张国云，陈　松，荣　军，刘志昌（湖南理工学　院信息与通信工程学院，湖南　岳阳　414006）

数字控制低频扫描仪的设计与实现*

张国云，陈松，荣军，刘志昌
（湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳414006）

以低频网络为分析对象，采用数字式扫频的方法设计了低频扫描分析仪系统。系统主要由微控制器、扫频信号源、低通滤波器、幅度控制和峰值检波5个模块组成。其中扫频信号源以DDS专用芯片AD9833为核心构成，峰值检波采用运算放大器和分立元件构成。系统软件采用C语言编写，能方便地进行修改和移植。经过测试，系统在50Hz到20kHz频率范围内能够对被测网络的增益及±3dB的带宽进行测量，最小扫频频率步进可以达到0.1Hz，测量误差小于5％并能实现自动增益控制。

AD采样；峰值检测；直接数字信号合成

0　引言

在电子测量中，经常遇到对未知网络的传输特性进行测量的问题，其中传输特性包括增益、衰减特性、幅频特性等。而且很多时候，对于被测量系统，无法知道其电路的详细结构和准确参数。此时，只能将待测电路作为黑箱来处理，然后通过输入、输出的传递函数来描述系统的内在特性。扫频仪就是用来测量前述黑箱传输特性的仪器，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。目前，国内低频扫频仪产品较少、价格较高，而且大多依然采用传统的模拟显示方式。这样既不方便，也很难读准确，而且很多扫频仪由于没有增益可调网络，因此量程较小［1］。另外传统的扫频仪扫频范围广、实时性高，但由于其扫频信号的产生通常通过频谱搬移的方法，这造成了结构复杂，性能不佳，价格昂贵等缺点［2］，很多时候只能在低频段使用扫频仪，因此值得去研究一种更简单和适合工作于低频段的扫频仪。本文研究并设计了一种新颖的频率特性测量系统。系统通过单片机C8051F020控制直接频率合成（DDS）芯片AD9833直接产生扫频信号，通过被测网络后再由单片机A/D转换进行峰值采样，最后对数据处理后由液晶输出扫频曲线。系统采用直接数字频率合成器的基本优点是在微处理器的控制下，能够准确而快捷地调节输出信号的频率、相位和幅度。此外，DDS具有频率和相位分辨率高、频率切换速度快、易于智能控制等突出特点，同时也解决了传统扫频仪性能不佳的问题。

1　低频扫描仪的系统实现

通过参考文献［3-5］可知，扫频仪的设计关键在于扫频信号源和检波器的设计。根据选用数字控制芯片的不同可以分为动态测量法和稳态测量法。对于前者，可选用DSP控制器，但是价格比较昂贵；后者选用单片机控制即可。考虑到成本问题，在本设计中选用稳态测量法设计。稳态测量法的原理框图如图1所示。该方法是运用响应信号与输入信号的幅值比来反映网络的幅频特性。本方案由微控制器C8051F020控制DDS扫频源产生扫频信号，经低通滤波器平滑滤波后，再由多路模拟开关和运算放大器来控制信号的幅度，最终产生幅度可控的扫频信号。扫频信号经过被测网络后，通过峰值检波电路可以得到扫频信号实时的峰峰值。最后进入ADC转换器的信号就是反映被测网络幅频特性的信号。经ADC进行采样处理，最后由微控制器处理将计算结果送到液晶显示器显示，这样被测网络的幅频特性就直观地显示出来了。

图1　稳态测量法原理框图

2　低频扫描仪系统的软硬件设计

2.1供电电路设计

根据系统性能的要求，需要设计±5V和+3.3V的直流稳压电源，而且要求电源的纹波应尽量小，以减少对输出信号的干扰。电源采用桥式全波整流、大电容滤波和三端稳压器件稳压的方法产生±5V和+3.3V直流电压，固定输出的三端稳压芯片为LM7805和LM7905。稳压管的输出通过电容和电感滤波；数字部分与模拟部分用电感隔离，这样就可以得到纹波系数很小的直流电压，其中±5V供电具体电路如图2所示。

2.2扫频信号电路设计

为产生任意波形，使用了直接数字频率合成技术（DDS），在这里采用DDS专用芯片AD9833，它具有频率转换时间短、频率分辨率高、频率稳定度高、输出相位连续、相位噪声低、可编程、频率步进小、全数字化和功耗低等优点。其最高输出频率是12.5MHz，主频时钟为25MHz时，精度达到0.1Hz，完全满足系统的要求。AD9833通过SPI总线接口可以方便地与单片机连接，同时AD9833外围电路少，调试简单，符合本设计要求。要产生正弦信号，本部分电路使用25 MHz有源晶振作为系统时钟（MCLK），同时通过0.1μF和4.7μF的电容滤掉输出信号中的直流成分。Ne5532是TI公司的一款高性能运算放大器，其增益带宽积为10M，压摆率达到13V/μs，连接成同相放大方式作为缓冲输出，以增强信号源的输出能力。同时，外接50Ω电阻保证连接板的热插拔［6］。具体电路如图3所示。

图3　AD9833应用电路原理图

2.3低通滤波电路设计

图4是二阶低通滤波器电路，截至频率为30kHz，其中R9=R10=R，C15=C16=C。令：

通过计算可知滤波器传输函数为：

当ωc=ω时：

通过以上计算知道，该滤波器对高频信号衰减满足系统要求。另外由相关理论知识可知，当Q值为0.707时滤波器在通带的平坦性最好。根据系统的要求，设定Q值为0.707，此时，AVF=1.585。取Rf=30kΩ，可得R1=51kΩ。又因截止频率为30kHz，取R=15 kΩ，C=270pF，ωc=1/RC≈30kHz。

图4　低通滤波电路原理图

2.4增益控制电路设计

由于被测网络中包含有源网络、无源网络，而且本课题要求的增益范围为-20dB-+20dB，要保证扫频信号通过待测电路后不发生失真，同时使得输入到ADC的信号能在可测量的范围内，就必须对信号进行不同规模的放大或衰减。本系统采用电阻网络结合运放的方式来达到程控衰减的目的。扫频信号输出峰-峰值为1V，而待测网络最大增益20dB，因此在信号输入到待测网络前需进行程控衰减。本系统的ADC采用单片机内部集成的AD转换器，该转换器最高输入电压是3.3V，因此设计成两次信号衰减。信号衰减采用电阻网络和模拟开关配合来实现。MAX4711是美信公司生产的双四通道模拟开关，其导通内阻为16Ω，开关速度80ns。支持CMOS和TTL电平，因此符合设计要求。电阻网络增益范围为-12dB～+14dB（-4～+5倍），输入到AD转换器的电压为0.5V～2.5V，符合AD的输入要求［7］，其具体电路如图5所示。

图5　增益控制电路原理图

2.5峰值检波电路设计

图6为峰值检波电路的原理图，其中，交流信号从运放的3脚输入，根据运放的虚短法则引脚2具有与引脚3同样的波形；U1B是电压跟随器，引脚7的电压幅值与电容C1上的电压相同。当引脚3的电压大于电容C1电压时，电阻R1上产生压降，电流从左到右。根据运放的虚断法则引脚2不能提供电流，并且D1反偏也不会导通。为了维持平衡只有提升R1右端的电压（即电容C1的电压），这个充电电流从U1A的引脚1经过D2进行。当引脚3的电压低于电容C1电压时，电阻R1上产生压降，电流从右到左。根据运放的虚断法则引脚2不能提供电流，则这个电流只有经过D1进入U1A。由于电压跟随器输出电压与电容C1上的电压相同，二极管D2截止，电容不能导过D2放电，电压得到保护。

图6　峰值检波电路原理图

2.6系统控制算法软件实现

系统软件设计的思想是采用模块化程序设计方法，良好的软件流程不仅可以减少扫描时间更可以保证系统的稳定性。因此将系统软件划分为信号源模块、AD采样和人机对话3个模块。全部原代码均使用标准C语言编写，并附带有详细的注释，增加了本系统软件的可读性和可移植性［8］。主程序流程图如图7所示。

图7　程序流程图

3　实验结果及分析

3.1技术指标

基本测试频率范围为50Hz～20kHz；测试出±3dB带宽，测量精度优于5％；所测电压增益范围为-20dB～+20dB；被测网络的电压传输增益测量精度优于5％。

3.2测量结果及分析

在电路班焊接完毕之后，首先核对器件有无焊错，特别是电容正负极和芯片不要焊反。然后使用万用表测量电源电路和信号线有无短路现象。这一步非常重要，为后续步骤提供重要保障。确认无误后，连通信号板的电源，使用示波器检测有源晶振的输出是否为25MHz，并观察波形是否失真。测试表明，晶振输出正常。下一步将信号板与单片机连接，运行信号程序，用示波器观测信号输出测试点输出信号是否符合设定值。表1所示为信号源在各个设定的频率输出及误差分析。从表1可以看出，实际输出频率与设定频率误差非常小，基本可以忽略不计，为后续参数测量的成功奠定了基础。

表1　AD9833信号源输出测量

通过函数信号发生器依次输入频率为10Hz～30kHz以及峰-峰值为0.5 V的正弦信号，观察通过低通滤波器后的信号峰值，记录如表2所示。由表2可知，该低通滤波器在20Hz到20kHz的测量误差均小于5％，精度满足设计要求。

峰值检测分两步进行，首先从测试点依次输入Vp-p为0.5V～3V的1kHz正弦信号，在输出端测量电压峰值并记录。然而依次从测试点输入频率为50Hz到20kHz，峰值为1V的正弦信号，在输出端测量记录，结果如表3所示。从表3可以看出，峰值检测电路在不同频率、不同电压幅度下均能很好地工作，测量误差小于5％，达到系统对误差设计的要求。

表2　低通滤波器测量统计表

表3　峰值检测测试统计表

4　结论

本文设计了基于单片机C8051F020的数字控制低频扫描仪，完成了扫频信号、增益控制、峰值检测部分的硬件电路和软件程序设计。系统设计完成后对各个部分进行功能测试。测试结果表明，本系统完全满足技术指标的要求。在设计过程中，发现采用的C8051单片机工作频率有限，导致扫描时间过长，因此在改进该系统时可以考虑采用ST32等主频更高的嵌入式芯片来实现。另外液晶显示部分可以考虑采用分辨率更高的LCD来显示，这样对于幅频特性显示效果更好。

［1］尤德斐.数字化测量技术及仪器［M］.北京：机械工业出版社，1987.

［2］谢自美.电子线路设计·实验·测试［M］.武汉：华中科技大学出版社，2000.

［3］郑戍华.基于DDS的信号源研制［D］.北京：北京理工大学，2003

［4］朱江乐，蒋东方，李俊华.基于虚拟仪器的低频扫频仪设计［J］.科学技术与工程，2008，8（6）：1580-1582.

［5］刘旺锁，吉顺祥，陈冬.基于虚拟仪器的扫频仪的设计与实现［J］.电子测量技术，2007，30（9）：78-80.

［6］潘勇先.基于DDS技术的雷达波形发生器的研究［D］.西安：西安电子科技大学，2004.

［7］周文委，王涌.一种DDS信号发生方法与频谱研究［J］.电子器件，2009，32（3）：620－622.

［8］王建校.51系列单片机及C51程序设计［M］.北京：科学出版社，2002.

Design and implementation of digital control low frequency scanner

Zhang Guoyun，Chen Song，Rong Jun，Liu Zhichang
（Department of Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang 414006，China）

The paper designs low frequency scanning analyzer with the method of digital frequency sweep which regards low frequency network as the research object.The system is composed of five main modules including microcontroller，frequency sweep signal source，low pass filter，amplitude control and peak detection.The sweep signal source takes DDS chip AD9833 as the core，and peak detection uses operational amplifier and a discrete component.The system software is written by C language，and it can be modified and transplanted conveniently.The system has passed the test that it can measure the gain and±3 dB bandwidth of the measured network with frequency range from 50Hz to 20kHz，and the minimum sweep step frequency can reach 0.1 Hz.The measurement error is less than 5％and the system can realize the automatic gain control.

AD sampling；peak detection；DDS

TM46

A

1674-7720（2015）12-0091-04

2015-01-30）

张国云（1971-），男，博士，教授，主要研究方向：图像处理。

国家级“电子信息工程”专业综合改革试点专业（高教司函［2013］5号）