数字式频率特性测试仪的设计

摘要：介绍了用函数发生器ILC8038构成压控振荡器、用D/A转换器提供压控振荡器的控制电压的频率特性测试仪。它以单片机为控制核心，实现了扫频频率的步进调整、频率数显、被测网络幅频特性与相频特性的数显及频率特性曲线的打印。

关键词：电子测量 幅频特性 相频特性 压控振荡器 单片机

模拟式扫频仪价格昂贵，不能直接得到相频特性，更不能打印网络的频率响应曲线，给使用带来诸多不便。为此，我们研究和设计了低频段数字式频率特性测试仪。该测试仪用压控振荡器产生扫频信号，以单片机为控制核心，通过A/D、D/A等接口电路，实现扫频信号频率的步进调整、数字显示及被测网络幅频特性与相频特性的数显等。总框图如图1所示。该系统成本低廉，扫频范围较宽（10Hz~1MHz），并可方便地与打印机连接以实现频率特性曲线的打印。

1 扫频信号源的设计

在频率特性测试仪的设计中，扫频信号源的质量具有重要的意义。无论是模拟式扫频仪，还是数字扫频仪，都要求扫频信号源具有线性压控的特性，且扫频波的输出幅度应是恒定的，不因频率或被测网络的改变而改变。为此，我们选用低线性误差的函数发生器ICL8038[1]构成控振荡器，如图2所示。用D/A转换器提供控制电压D/A转换器的输入数字量由单片机给出，如图3所示，可实现数字量的手动和自动调整。为了提高信号源的负载能力，我们将压控振荡器的输出信号送入一宽频带功率放大器，从而增大其驱动能力。关于宽带功放电路已有很多优秀的器件或电路可供选用，此处不再赘述。

振荡器的振荡频率由图2中的定时元件R、C及控制电压决定。当R和C一定时，改变ICL8038的8脚电压可改变振荡器的振荡频率。实验表明，仅靠改变压控电压来改变扫频波的频率是不能满足测量要求的（频率范围太窄）。为了扩展频率范围，我们采用了分档切换电容的办法。电容C通过一电子开关接入，单片机根据扫频皮的频率值自动给出相应的开关量（三位），从而选择所接入的电容值，可使扫频频率范围扩展到10Hz~1MHz。

2 幅频特性与相频特性的测量与打印

扫频波频率的测量与显示由单片机完成。宽带功能输出的正弦信号，经整形所送单片机供其测量并显示频率。用单片机完成这一任务已有较成熟的方法。值得注意的是测频的时间时隔不是固定的：数显时，时间间隔应较长（我们定为1s)，因显示时必须延时一段时间才能便于观察；打印时，时间间隔较小（我们定为1ms），便于在较短时间内打印全频段数据。测频前信号的整形电路选用宽频带正弦波一矩形波变换电路[2],如图4所示。场效应管源极跟随器的接入是为了消除变换电路对信号源的影响。

在幅频特性的测量中，被测网络的输入信号幅度是已知的，这在调整功放电路时调定。只要测出被测网络输出信号的幅度，即可算得其增益（dB数），被测网络输出信号的幅度的测量由检波器、A/D转换器及单片机共同完成。增益的计算和显示亦由单片机完成。

相频特性的测量与显示原理如下：被测网络的输入与输出信号先经整形电路变换为矩形波，再送入图5所示测相逻辑电路中，图中μi和μo分别为被测网络的输入与输出信号。电路中有关波形如图6所示。设异或门输出脉冲宽度为△T，信号周期为T，则输入与输出信号的相位差由下式求得：

Δφ=(ΔT/T)×360°

上式中的符号由A点电平决定，若A点为低电平，则μ。超前μi，在△φ前加“+”号；若A点为高电平，则μ0,滞后μi，在△φ前加“-”号。T与T的测量及（1）式的计算与符号的确定均由单片机自动完成。

上述幅频与相频特性的测量对频率而言是离散的。某一时刻只能看到某一频率下的增益或相移。为了获得连续的频率特性曲线，我们将全段内各频率下的增益或相移存放在单片机的外部RAM中，将单片机与打印机相连，将存放在外部RAM中的数据逐个送打印机打印，取得较好的效果。单片机与打印机的接口电路如图7所示。DB0DB7为单片数据传输线，单片机通过此传输线将待打印的数据送给打印机。STB为数据选通信号，此信号上升沿时，数据线上8位数据被打印机读入机内锁存并打印。BUSY为打印机的“忙”信号输出线，输出高电平表示打印机处于“忙”状态，此时，单片机不得向打印机送入新的数据字节。当BUSY为低电平时，单片机将存在外部RAM中的数据送给打印机。编制相应程序时，只要设置好打印机的控制字，并将增益或相移值作适当量化即可。

3 软件流程与系统调试要点

单片机最小系统构成如下：单片机选用80C32，键盘显示接口芯片选用8279，存储器选用EPROM 1片（2K）和RAM 1片（64K)。地址冲突问题由片选信号解决。A/D转换大选用0809，选用14位DAC一片，可提高分辨率。

软件流程图如图8所示。

键盘分为数字键和功能键两种，数字键用来输入扫频频率起始及终止值等；而功能键则用于幅频特性、相频特性的测量及打印等功能。

程序编制与电路调试中有几个值得注意的问题。第一是切换定时电容后频率的重迭。解决的办法是通过对扫频频率的判断，给出D/A所需的数字量，使扫频频率单值上升。各电容的值通过实验调定。第二是步长问题，在数显功能下，步长不能太上，否则，观察一段频率范围的频响耗时巨大。针对这一问题，我们通过改变步长的办法来解决，在低频段取较小步长， 而高频段取较大步长。在打印功能下，由于不需要延时，故可在全频范围取较小步长（10Hz），每步所需时间仅为单片机执行指令及电路响应的时间，能较快地打印全频段的频率特性曲线。这时，频率轴为线性分度，便于定量分析。第三个问题是增益与相移的满量程问题。增益的量程我们这为+40dB或等40dB，较大增益的网络通过衰减网络接入，增益小于-40dB时被量化为-40dB。相移的满量程为+180度或-180度。实验表明，我们设计的系统稳定可靠，打印的幅频特性曲线与传统的模拟扫频仪所测曲线相符，相频特性曲线与理论一致。