引言

在模擬電路設計和調(diào)試過程中， 測量系統(tǒng)的頻率響應特性是非常重要的一步。而市場上能購買到的具有分析系統(tǒng)頻率響應的儀器通常都比較昂貴， 而且體積較大， 一般很難接受。為此， 本文介紹了一種成本較低、體積小、操作簡單， 能滿足大部分系統(tǒng)測量要求的頻率響應測試儀的設計方法。

1 系統(tǒng)總體設計

本文介紹的是基于單片機C8051F060和頻率合成芯片AD9834開發(fā)的、可測量系統(tǒng)頻率響應曲線的儀器系統(tǒng)。其系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖。

本設計中的單片機C8051F060可控制掃頻信號源， 以產(chǎn)生一系列不同頻率的正弦信號， 然后將這些信號進行濾波、放大后作為被測對象的輸入送到被測網(wǎng)絡中， 而被測對象的輸出信號則經(jīng)過調(diào)理電路輸入到單片機C8051F060中進行數(shù)據(jù)采集與處理， 并將其幅頻特性曲線、相頻特性曲線通過LED顯示出來。鍵盤可通過控制單片機來設置頻率的步進值。

2 各部分模塊的設計

2.1 主要芯片簡介

本系統(tǒng)中的C8051F060是美國Cygnal公司推出的完全集成混合信號片上系統(tǒng)型MCU。

C8051F060采用與8051兼容的專利內(nèi)核CIP-51，速度高達25MIPS， 并具有59個數(shù)字I/O 引腳、5個16位通用定時器、6個帶有捕捉/比較模塊的可編程定時器/計數(shù)器陣列。同時， 片內(nèi)還集成了兩個16 位、1 Msps 的ADC和2個12位DAC、3個電壓比較器、看門狗定時器， VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。該芯片上集成有64KB的FLASH和4352B內(nèi)部RAM， 以及硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和2個UART 串行接口。最為便利的是， C8051F060還集成了CAN總線控制器， 這使得用CAN總線開發(fā)C8051F060具有開發(fā)費用低廉、抗干擾性強、可適用于工業(yè)現(xiàn)場應用等特點。

本設計選用的頻率合成芯片AD9834是AD公司生產(chǎn)的具有高集成度、低功耗的直接數(shù)字頻率合成器， 它使用的DDS技術是一種利用正弦信號相位隨時間線性增加的原理， 并由數(shù)字累加和數(shù)/模轉(zhuǎn)換來合成所需頻率的技術。它主要由數(shù)控振蕩器(NCO)、相位調(diào)制器、正弦查詢表ROM和1個10位D/ A轉(zhuǎn)換器組成。數(shù)控振蕩器和相位調(diào)制器主要由2個頻率選擇寄存器、1個相位累加器、2個相位偏移寄存器和1個相位偏移加法器構成， 其最高工作頻率可達50 MHz。在參考時鐘1MHz下的頻率分辨率達0.004 Hz。同時， AD9834還具有三總線串行(SPI) 接口， 可以較好地與DSP或單片機兼容， 并可以輸出正弦波、三角波和方波信號。

2.2 掃頻信號源設計

本設計采用C8051F020單片機作為控制器件，它的最高工作頻率可達到25 MHz， 并可提供一個串行外設接口SPI器件， 然后利用SPI總線向AD9834發(fā)送頻率控制字， 以使AD9834產(chǎn)生正弦信號， 將此差分信號通過引腳IOUT和引腳IOUTB輸出。本系統(tǒng)中的掃頻信號源電路如圖2所示。

圖2 掃頻信號源設計電路圖。

2.3 調(diào)理電路設計

在設計調(diào)理電路時， 可選用模擬開關ADG408來控制放大電路的增益， 以將±5 V的信號經(jīng)過調(diào)理電路衰減后， 再和ADC的參考電壓相加， 從而使信號的幅度范圍達到ADC允許的范圍內(nèi)(0~2.5 V)。

3 單片機C8051F060與AD9834的通訊接口

本設計采用單片機C8051F060并通過SPI接口向AD9834發(fā)送命令和數(shù)據(jù)， 再由AD9834 產(chǎn)生系統(tǒng)需要的掃頻信號。C8051F060 的SPI是一個高速同步串行輸入/輸出口， 可支持主/從形式的多機通信， 通常用于DSP 控制器和外設或另一個處理器之間以串行方式進行通信和數(shù)據(jù)交換。通信時一般使用四條線， 即串行時鐘線SPICLK、主機輸入/從機輸出線SPIMISO、主機輸出/從機輸入線SPIMOSI、從傳送使能線SPISTE。而AD9834有三根串行接口線， 且與SPI等接口標準兼容。

由于單片機只向AD9834發(fā)送數(shù)據(jù)， 而不需要接收數(shù)據(jù)， 因此， 設計時可將單片機的SPI設置為主器件， NSS置為高電平。C8051F060與AD9834的具體接口電路如圖3所示。

圖3 C8051F060與AD9834的接口電路。

4 軟件設計

本系統(tǒng)的軟件主要完成系統(tǒng)的初始化、程控放大、數(shù)據(jù)采集與處理及LCD顯示等功能。其主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖。

初始化包括系統(tǒng)初始化、單片機初始化、DDS初始化和液晶屏初始化。初始化之后， 就可以讀鍵值， 如果步長改變， 則清計數(shù)器和液晶屏， 沒有改變， 則可寫頻率控制字， 用程序控制其放大倍數(shù)， 采集輸出信號。如果輸出電壓超過滿量程， 則應減小放大倍數(shù)， 以使其被控制到合適的范圍內(nèi)。剛好滿足時， 就可以對輸入、輸出信號兩端同時采集， 待采集完成后， 再對輸入信號和輸出信號分別進行傅里葉變換， 然后計算出各自的幅度和相位， 再用輸出端的幅度除以輸入端的幅度， 就可以得到被測網(wǎng)絡對應頻率的放大倍數(shù)， 然后用輸出端信號的相位減去輸入端信號的相位， 就可以得到被測網(wǎng)絡對應頻率的相頻響應。最后將計算出的結果通過LCD顯示出來。本系統(tǒng)選用320240B液晶顯示器， 并使用功能強大的RA8835/ SED1335作為控制器， 一屏最多可顯示320個點， 當這320個點全部顯示完成時， 掃頻結束， 掃頻結束后， 還可以進行頻率響應函數(shù)的計算。否則就返回， 以進行下一個頻率的測量。

5 結束語

通過本文所設計的頻率響應測試儀可測出被測網(wǎng)絡的響應信號與激勵信號的幅值比和相位差， 從而求出系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性， 再由求得的頻率特性進一步求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。該設計由于輸入信號頻率成分單一， 信號穩(wěn)定， 能量集中， 因此， 求出的結果精確度高， 從而克服了其他方法中激勵信號成分復雜， 各成分的能量分布不均勻， 持續(xù)時間短， 能量不足， 噪聲影響較大等缺點。