模擬式掃頻儀價(jià)格昂貴不能直接得到相頻特性更不能打印網(wǎng)絡(luò )的頻率響應曲線(xiàn)給使用帶來(lái)諸多不便。為此我們研究和設計了低頻段數字式頻率特性測試儀。該測試儀用壓控振蕩器產(chǎn)生掃頻信號以單片機為控制核心通過(guò)A/D、D/A等接口電路實(shí)現掃頻信號頻率的步進(jìn)調整、數字顯示及被測網(wǎng)絡(luò )幅頻特性與相頻特性的數顯等。總框圖如圖1所示。該系統成本低廉掃頻范圍較寬（10Hz~1MHz）并可方便地與打印機連接以實(shí)現頻率特性曲線(xiàn)的打印。

1 掃頻信號源的設計

　　在頻率特性測試儀的設計中掃頻信號源的質(zhì)量具有重要的意義。無(wú)論是模擬式掃頻儀還是數字掃頻儀都要求掃頻信號源具有線(xiàn)性壓控的特性且掃頻波的輸出幅度應是恒定的不因頻率或被測網(wǎng)絡(luò )的改變而改變。為此我們選用低線(xiàn)性誤差的函數發(fā)生器ICL8038[1]構成控振蕩器如圖2所示。用D/A轉換器提供控制電壓D/A轉換器的輸入數字量由單片機給出如圖3所示可實(shí)現數字量的手動(dòng)和自動(dòng)調整。為了提高信號源的負載能力我們將壓控振蕩器的輸出信號送入一寬頻帶功率放大器從而增大其驅動(dòng)能力。關(guān)于寬帶功放電路已有很多優(yōu)秀的器件或電路可供選用此處不再贅述。

　　振蕩器的振蕩頻率由圖2中的定時(shí)元件R、C及控制電壓決定。當R和C一定時(shí)改變ICL8038的8腳電壓可改變振蕩器的振蕩頻率。實(shí)驗表明僅靠改變壓控電壓來(lái)改變掃頻波的頻率是不能滿(mǎn)足測量要求的（頻率范圍太窄）。為了擴展頻率范圍我們采用了分檔切換電容的辦法。電容C通過(guò)一電子開(kāi)關(guān)接入單片機根據掃頻皮的頻率值自動(dòng)給出相應的開(kāi)關(guān)量（三位）從而選擇所接入的電容值可使掃頻頻率范圍擴展到10Hz~1MHz。

2 幅頻特性與相頻特性的測量與打印

　　掃頻波頻率的測量與顯示由單片機完成。寬帶功能輸出的正弦信號經(jīng)整形所送單片機供其測量并顯示頻率。用單片機完成這一任務(wù)已有較成熟的方法。值得注意的是測頻的時(shí)間時(shí)隔不是固定的：數顯時(shí)時(shí)間間隔應較長(cháng)（我們定為1s)因顯示時(shí)必須延時(shí)一段時(shí)間才能便于觀(guān)察；打印時(shí)時(shí)間間隔較小（我們定為1ms）便于在較短時(shí)間內打印全頻段數據。測頻前信號的整形電路選用寬頻帶正弦波一矩形波變換電路,如圖4所示。場(chǎng)效應管源極跟隨器的接入是為了消除變換電路對信號源的影響。

　　在幅頻特性的測量中被測網(wǎng)絡(luò )的輸入信號幅度是已知的這在調整功放電路時(shí)調定。只要測出被測網(wǎng)絡(luò )輸出信號的幅度即可算得其增益（dB數）被測網(wǎng)絡(luò )輸出信號的幅度的測量由檢波器、A/D轉換器及單片機共同完成。增益的計算和顯示亦由單片機完成。

　　相頻特性的測量與顯示原理如下：被測網(wǎng)絡(luò )的輸入與輸出信號先經(jīng)整形電路變換為矩形波再送入圖5所示測相邏輯電路中，超聲探傷儀圖中μi和μo分別為被測網(wǎng)絡(luò )的輸入與輸出信號。電路中有關(guān)波形如圖6所示。設異或門(mén)輸出脈沖寬度為△T信號周期為T(mén)則輸入與輸出信號的相位差由下式求得：

　　Δφ=(ΔT/T)×360°

　　上式中的符號由A點(diǎn)電平?jīng)Q定若A點(diǎn)為低電平則μ。超前μi在△φ前加“+”號；若A點(diǎn)為高電平則μ0,滯后μi在△φ前加“-”號。T與T的測量及（1）式的計算與符號的確定均由單片機自動(dòng)完成。



　　上述幅頻與相頻特性的測量對頻率而言是離散的。某一時(shí)刻只能看到某一頻率下的增益或相移。為了獲得連續的頻率特性曲線(xiàn)我們將全段內各頻率下的增益或相移存放在單片機的外部RAM中將單片機與打印機相連將存放在外部RAM中的數據逐個(gè)送打印機打印取得較好的效果。單片機與打印機的接口電路如圖7所示。DB0DB7為單片數據傳輸線(xiàn)單片機通過(guò)此傳輸線(xiàn)將待打印的數據送給打印機。STB為數據選通信號，此信號上升沿時(shí)數據線(xiàn)上8位數據被打印機讀入機內鎖存并打印。BUSY為打印機的“忙”信號輸出線(xiàn)輸出高電平表示打印機處于“忙”狀態(tài)此時(shí)單片機不得向打印機送入新的數據字節。當BUSY為低電平時(shí)單片機將存在外部RAM中的數據送給打印機。編制相應程序時(shí)只要設置好打印機的控制字并將增益或相移值作適當量化即可。

3 軟件流程與系統調試要點(diǎn)

　　單片機最小系統構成如下：?jiǎn)纹瑱C選用80C32鍵盤(pán)顯示接口芯片選用8279存儲器選用EPROM 1片（2K）和RAM 1片（64K)。地址沖突問(wèn)題由片選信號解決。A/D轉換大選用0809，選用14位DAC一片可提高分辨率。

　　軟件流程圖如圖8所示。

　　鍵盤(pán)分為數字鍵和功能鍵兩種數字鍵用來(lái)輸入掃頻頻率起始及終止值等；而功能鍵則用于幅頻特性、相頻特性的測量及打印等功能。




　　程序編制與電路調試中有幾個(gè)值得注意的問(wèn)題。第一是切換定時(shí)電容后頻率的重迭。解決的辦法是通過(guò)對掃頻頻率的判斷給出D/A所需的數字量使掃頻頻率單值上升。各電容的值通過(guò)實(shí)驗調定。第二是步長(cháng)問(wèn)題在數顯功能下步長(cháng)不能太上否則觀(guān)察一段頻率范圍的頻響耗時(shí)巨大。針對這一問(wèn)題我們通過(guò)改變步長(cháng)的辦法來(lái)解決在低頻段取較小步長(cháng) 而高頻段取較大步長(cháng)。在打印功能下由于不需要延時(shí)故可在全頻范圍取較小步長(cháng)（10Hz）每步所需時(shí)間僅為單片機執行指令及電路響應的時(shí)間能較快地打印全頻段的頻率特性曲線(xiàn)。這時(shí)頻率軸為線(xiàn)性分度便于定量分析。第三個(gè)問(wèn)題是增益與相移的滿(mǎn)量程問(wèn)題。增益的量程我們這為+40dB或等40dB較大增益的網(wǎng)絡(luò )通過(guò)衰減網(wǎng)絡(luò )接入增益小于-40dB時(shí)被量化為-40dB。相移的滿(mǎn)量程為+180度或-180度。實(shí)驗表明我們設計的系統穩定可靠打印的幅頻特性曲線(xiàn)與傳統的模擬掃頻儀所測曲線(xiàn)相符相頻特性曲線(xiàn)與理論一致。
產(chǎn)品配置:
單片機；鍵盤(pán)；
適用領(lǐng)域及情況:
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