便携式低频幅频特性测试仪的研制

1 引 言
　　电子测量中经常遇到的就是对网络的阻抗和传输特性的测量。幅频特性就是重要的传输特性。最初，这些网络参数的测试是在固定频率点上逐点进行的，这种测试方法繁琐、费时，且不直观，有时因取点有误还会得出片面的结果〔1〕。而专用测试工具大致可分为两类：一类是传统设备，如国产的BT4〔2〕型低频特性测试仪，BT4存在设备体积大，易有故障，并且操作复杂等缺点，难以满足尤其是现场自动测试的要求；另一类是采用集数据采集和运算功能于一体的大规模新型芯片技术制造的测试仪，一般为进口产品，但其存在结构复杂，维护困难，价格昂贵等缺点。
　　随着单片微处理器技术的发展，其智能测试功能已在很多智能仪表中得到了广泛的应用，因此，用单片机的软件来代替部分硬件完成频率特性的测试，便成为一种比较理想而有效的途径。本文采用单片微处理器为核心，设计出重量轻、体积小、显示直观、操作方便的便携式低频幅频特性测试仪。
2　测试原理
　　当系统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ω。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
　
G（jω）称为频率特性，A（ω）是输出信号的幅值与输入信号幅值之比，称为幅频特性。Φ（ω）是输出信号的相角与输入信号的相角之差，称为相频特性。其中，幅频特性是一个网络的重要传输特性，所以，本文只探讨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代替以往的固定频率信号，就可以对被测网络进行快速、定性或定量的动态测量，给出被测网络的阻抗特性和传输特性的实时测量结果。测量原理见图1。

　　本仪器的主要功能和指标如下：扫频范围为1Hz～120kHz；幅值范围为0V～5V连续可变；步长设定为通过键盘可任意设定（1、2、3…n）频率间隔，实现线性增长；显示方式为，选用128×128图形点阵液晶显示模块，显示汉字、字母、数字、图形；参数设定为，通过软、硬件结合，可实现扫频信号频率的上限、下限、步长及显示画面设定；通讯功能为，通过MAX3232C模块进行电平转换，可实现与微机的数据通讯。
3　硬件电路
　　根据便携式幅频特性测试仪的特点，在设计时主要考虑结构的轻便、省电，输出的测试信号精确、可控，能自动进行数据采集，数据处理准确而快速，以及显示直观等方面。主控采用了Atmel公司的89C52单片机。此系列单片机已有许多成功的应用，技术成熟，片内集成了4K字节EEPROM程序存储器，不需外扩程序存储器，保证了系统运行的稳定性。当测试仪现场完成对被测网络的测试后，数据保存在非易失性存储芯片DS1225（见http：／／www．maxim－ic．com）中，该芯片为带锂电池的EEPROM，在失电的情况下，可保存数据十年。当需要对数据进行进一步分析、研究时，系统结构框图可通过串口将数据存储器中的数据传输给系统微机，使得测试仪更方便实用。该系统的结构框图见图2。

3．1　信号发生电路
　　具有一个标准的扫频信号是幅频特性测试仪实现准确测试的关键。所以，扫动的正弦信号采用频率合成的方式产生，其频率的稳定度可达到10－8，并且容易实现自动扫频功能。其硬件电路的组成见图3。
　　首先采用CD4060芯片及晶振产生一个基准频率fi（fi＝128Hz），作为二进制加计数器HC4520的计数脉冲，HC4520的输出作为2764的地址信号，由2764数据输出端输出已存储的数据。这样，每经过128Hz就从2764的数据端输出一个由128点组成的、频率为1Hz的数字正弦波。再经过DAC0832芯片数／模转换后得到一个波形完美、频率稳定的模拟正弦波。当fi经过集成锁相环CD4046及可编程分频器8253组成的电路倍频后，就会得到fo（fo＝N×fi），N为分频系数。当fo的频率超过1MHz时，应换用74HC4046高速锁相环，最终得到一系列连续可变的模拟正弦波，即扫频信号。为了适合对无源和有源网络的分别测试，幅度控制电路将P0口送出的00H～0FFH数字量经U2数／模转换后，输出0V～5V程控电压，用此电压作为U1－DAC0832的基准电压，来实现扫频信号的幅度调节。单片微处理器仅需由P0口分别送出扫频信号的分频值和幅度值，信号的产生均由硬件完成，这样，CPU可有更多时间去对采集的数据进行处理，以及实现对被测网络幅频特性曲线的显示功能等。

3．2　数据采集和处理电路
　　被测网络的输出信号经过真有效值转换芯片转换后，接到A／D转换芯片ADC0809的输入端，转换后的数据由P0口送入微处理器，进行数据的计算、存储、显示。AD637（见中国电子资源网http：／／www．chinadz．com）是高精度单片TRMS／DC转换器，可以计算各种
复杂波形的真有效值，其误差低、频带宽（可达8MHz）。但AD637的输入阻抗低（仅为8kΩ），所以，输入端应采用一级跟随器进行阻抗变换。数据读入后按顺序存入数据存储器DS1225中保存。存储器的内容是经过有效值转换及A／D转换后的数据（00H～FFH），而存储器的地址就代表存储数据的频率值。
3．3　数据存储及显示电路
　　设计时考虑到便携式测试仪需要省电这一特点，应该在现场测试完后就将电源关掉。以后，为了能对采集数据进行进一步的分析和研究，数据应具有掉电保存功能。所以，存储器选用了非易失性的存储器。通过比较测试，选用了Dallas公司的DSl225芯片，其内部有锂电池，能对存储器供电，存储容量为8K字节。这样既可解决掉电存储问题，又能保存对一个被测网络所采集的所有数据。
　　显示器采用图形点阵液晶模块——亚世光公司的YM128128－01，共有横坐标128点，纵坐标128点，组成128×128的点阵显示屏。从数据存储器中取出的数据经过除法子程序的处理（除以2然后取整）作为纵坐标的值。存储数据的地址作为横坐标的值，这样就可确定该点在显示屏上的位置。曲线的显示形式可分为粗显和精显，粗显就是在横坐标共128点上显示出全部数据存储区中（0000H～1FFFH）8K字节的数据，从存储器中每隔63（3FH）点取一个数据作为纵坐标的值。如果要得到精确显示，则可根据需要从键盘输入将要显示频段的上／下限频率值，每屏显示128点的幅频特性曲线，通过指示线的左右移动，在屏幕的下方实时显示出指示点的频率和幅值，实现精确测量。
3．4　通讯电路
　　采集的数据通过串口完成通讯。采用Maxim公司的MAX232（见http：／／www．maxim－ic．com）实现电平的转换。单＋5V电源，产生RS232标准电平，实现　　与系统微机的串口通讯。
4　软件设计
　　为使各部分硬件电路按一定顺序进行工作，在89C52的程序存储器内固化了用汇编语言编写的应用程序。其中有程序初始化，正弦信号分频子程序，正弦信号幅度控制子程序，数据采集子程序，信号处理子程序，键值处理子程序，显示画面子程序等。程序框图见图4。

5　测量结果
电路图如图5所示，一个中心频率为5kHz的无源双T网络，使用本仪器测试，所得测试结果见图6。