基于单片机控制的频率特征测试仪设计

一个系统的频率特征可通过频率特征测试仪来测定。频率特性测试仪也称扫频仪，用于测试被测网络的幅频特性。他可以测量被测网络的谐振频率、带宽、带外衰减、增益等，是电子领域的常用设备之一。模拟式扫频仪价格较贵，且不能直接得到相频特性，更不能保存频率特性图和打印频率特性图，给使用者带来了诸多不便，为此没计了此数字式频率特性测试仪。

2 总体设计

　　单片机控制信号源产生标准正弦波，输入到被测网络；被测网络的输出分别输入幅度检测电路和相位检测电路，得到峰值和相位差值送入单片机进行处理；单片机处理后的结果一方面提供给LED实时显示，另一方面存人存储器，供示波器显示幅频、相频曲线。总框斟如图2所示。

2.1 扫频信号源的设计

　　扫频信号发生器是频率特性测试仪的核心，他提供被测网络输入所需的频率随时间在一定范围内周期变化的正弦信号。扫频信号产生的方法有锁相环(PLL)及可预置分频器、单片集成波形发生器、专用频率合成器件及直接数字频率合成(DDS)电路等。本系统采用单片机控制，利用EDA技术，选用系统可编程逻辑器件ispCPLD芯片，构成直接数字频率合成器(DDS)来产生扫描正弦波。

　　直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthe-sis，DDS)是一种纯数字化方法。因为DDS具有超高速的频率转换时间，极高的频率分辨率和较低的相位噪声，在频率改变与调频时，DDS器件能够保持相位的连续，因此很容易实现频率、相位和幅度调制，此外DDS还具有可编程控制的突出优点。DDS主要由相位累加器、正弦ROM表和数模转换器等组成，其核心是相位累加器，他由一个N位字长的二进制加法器和一个有时钟fclk取样的N位寄存器组成，作用是对频率控制字进行线性累加。当相位增量为1，累加器的字宽为32位时，输出地址对应于波形的相位分辨率为l／232。正弦ROM表中存储着一张正弦函数查询表，对应不同的瞬时相位码输出不同的幅度编码。工作时往DDS中写入控制字到相位累加器并转化成瞬时相位，在外部参考时钟的作用下，每个时钟周期相位累加器累加相位步进一次，对应的幅度编码输出给数模转换器(D／A)，把数字量转化为模拟量，再通过低通滤波器平滑后得到最后需要的信号。并且该模拟正弦波与一门限电压进行比较可得到同频率的方波时钟信号，他将所需正弦波一个周期的离散样点的幅值数字量存入ROM中，然后按一定的地址间隔(相位增量)读出，并经D／A转换器形成模拟正弦信号，再经低通滤波器得到质量较好的正弦信号。

　　信号发生器输出波形的频率f0定义为：

　　其中fc为晶振频率，k为分频比，N为相位累加器位数，M为相位累加器的增量(步长)。

　　本设计中取fc=32.768 MHz，k=50，N=16，代入上式可得：

　　这样只要控制M的值就可以准确地实现频率步进10Hz的要求。这里时钟频率为：

　　式中，△phase为频率控制字，sysclk为系统时钟，clkin为DDS的输入参考时钟频率，N为频率寄存器的位数，M为相位偏移寄存器的位数。频率控制字△phase决定着输出信号的频率值；最小频率分辨率由频率寄存器的位数N决定，N越大，频率分辨率越高；相位分辨率由相位偏移寄存器的位数决定，幅度分辨率由D／A转换器的精度决定。