便攜式低頻幅頻特性測試儀的研制

1 引 言
　　電子測量中經(jīng)常遇到的就是對網(wǎng)絡(luò )的阻抗和傳輸特性的測量。幅頻特性就是重要的傳輸特性。最初，這些網(wǎng)絡(luò )參數的測試是在固定頻率點(diǎn)上逐點(diǎn)進(jìn)行的，這種測試方法繁瑣、費時(shí)，且不直觀(guān)，有時(shí)因取點(diǎn)有誤還會(huì )得出片面的結果〔1〕。而專(zhuān)用測試工具大致可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是傳統設備，如國產(chǎn)的BT4〔2〕型低頻特性測試儀，BT4存在設備體積大，易有故障，并且操作復雜等缺點(diǎn)，難以滿(mǎn)足尤其是現場(chǎng)自動(dòng)測試的要求；另一類(lèi)是采用集數據采集和運算功能于一體的大規模新型芯片技術(shù)制造的測試儀，一般為進(jìn)口產(chǎn)品，但其存在結構復雜，維護困難，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。

　　隨著(zhù)單片微處理器技術(shù)的發(fā)展，其智能測試功能已在很多智能儀表中得到了廣泛的應用，因此，用單片機的軟件來(lái)代替部分硬件完成頻率特性的測試，便成為一種比較理想而有效的途徑。本文采用單片微處理器為核心，設計出重量輕、體積小、顯示直觀(guān)、操作方便的便攜式低頻幅頻特性測試儀。

2　測試原理

　　當系統的輸入為正弦信號時(shí)，則輸出的穩態(tài)響應也是一個(gè)正弦信號，其頻率和輸入信號的頻率相同，但幅度和相位發(fā)生了變化，而變化取決于角頻率ω。若把輸出的穩態(tài)響應和輸入正弦信號用復數表示，并求

它們的復數比，則得
　
G（jω）稱(chēng)為頻率特性，A（ω）是輸出信號的幅值與輸入信號幅值之比，稱(chēng)為幅頻特性。Φ（ω）是輸出信號的相角與輸入信號的相角之差，稱(chēng)為相頻特性。其中，幅頻特性是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的重要傳輸特性，所以，本文只探討幅頻特性參數的測試。

　　在實(shí)際測量中，用一個(gè)隨著(zhù)時(shí)間按一定規律，并在一定頻率范圍內掃動(dòng)的信號代替以往的固定頻率信號，就可以對被測網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行快速、定性或定量的動(dòng)態(tài)測量，給出被測網(wǎng)絡(luò )的阻抗特性和傳輸特性的實(shí)時(shí)測量結果。測量原理見(jiàn)圖1。

　　本儀器的主要功能和指標如下：掃頻范圍為1Hz～120kHz；幅值范圍為0V～5V連續可變；步長(cháng)設定為通過(guò)鍵盤(pán)可任意設定（1、2、3…n）頻率間隔，實(shí)現線(xiàn)性增長(cháng)；顯示方式為，選用128×128圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，顯示漢字、字母、數字、圖形；參數設定為，通過(guò)軟、硬件結合，可實(shí)現掃頻信號頻率的上限、下限、步長(cháng)及顯示畫(huà)面設定；通訊功能為，通過(guò)MAX3232C模塊進(jìn)行電平轉換，可實(shí)現與微機的數據通訊。

3　硬件電路

　　根據便攜式幅頻特性測試儀的特點(diǎn)，在設計時(shí)主要考慮結構的輕便、省電，輸出的測試信號精確、可控，能自動(dòng)進(jìn)行數據采集，數據處理準確而快速，以及顯示直觀(guān)等方面。主控采用了Atmel公司的89C52單片機。此系列單片機已有許多成功的應用，技術(shù)成熟，片內集成了4K字節EEPROM程序存儲器，不需外擴程序存儲器，保證了系統運行的穩定性。當測試儀現場(chǎng)完成對被測網(wǎng)絡(luò )的測試后，數據保存在非易失性存儲芯片DS1225（見(jiàn)http：／／www．maxim－ic．com）中，該芯片為帶鋰電池的EEPROM，在失電的情況下，可保存數據十年。當需要對數據進(jìn)行進(jìn)一步分析、研究時(shí)，系統結構框圖可通過(guò)串口將數據存儲器中的數據傳輸給系統微機，使得測試儀更方便實(shí)用。該系統的結構框圖見(jiàn)圖2。

3．1　信號發(fā)生電路

　　具有一個(gè)標準的掃頻信號是幅頻特性測試儀實(shí)現準確測試的關(guān)鍵。所以，掃動(dòng)的正弦信號采用頻率合成的方式產(chǎn)生，其頻率的穩定度可達到10－8，并且容易實(shí)現自動(dòng)掃頻功能。其硬件電路的組成見(jiàn)圖3。

　　首先采用CD4060芯片及晶振產(chǎn)生一個(gè)基準頻率fi（fi＝128Hz），作為二進(jìn)制加計數器HC4520的計數脈沖，HC4520的輸出作為2764的地址信號，由2764數據輸出端輸出已存儲的數據。這樣，每經(jīng)過(guò)128Hz就從2764的數據端輸出一個(gè)由128點(diǎn)組成的、頻率為1Hz的數字正弦波。再經(jīng)過(guò)DAC0832芯片數／模轉換后得到一個(gè)波形完美、頻率穩定的模擬正弦波。當fi經(jīng)過(guò)集成鎖相環(huán)CD4046及可編程分頻器8253組成的電路倍頻后，就會(huì )得到fo（fo＝N×fi），N為分頻系數。當fo的頻率超過(guò)1MHz時(shí)，應換用74HC4046高速鎖相環(huán)，最終得到一系列連續可變的模擬正弦波，即掃頻信號。為了適合對無(wú)源和有源網(wǎng)絡(luò )的分別測試，幅度控制電路將P0口送出的00H～0FFH數字量經(jīng)U2數／模轉換后，輸出0V～5V程控電壓，用此電壓作為U1－DAC0832的基準電壓，來(lái)實(shí)現掃頻信號的幅度調節。單片微處理器僅需由P0口分別送出掃頻信號的分頻值和幅度值，信號的產(chǎn)生均由硬件完成，這樣，CPU可有更多時(shí)間去對采集的數據進(jìn)行處理，以及實(shí)現對被測網(wǎng)絡(luò )幅頻特性曲線(xiàn)的顯示功能等。

3．2　數據采集和處理電路

　　被測網(wǎng)絡(luò )的輸出信號經(jīng)過(guò)真有效值轉換芯片轉換后，接到A／D轉換芯片ADC0809的輸入端，轉換后的數據由P0口送入微處理器，進(jìn)行數據的計算、存儲、顯示。AD637是高精度單片TRMS／DC轉換器，可以計算各種復雜波形的真有效值，其誤差低、頻帶寬（可達8MHz）。但AD637的輸入阻抗低（僅為8kΩ），所以，輸入端應采用一級跟隨器進(jìn)行阻抗變換。數據讀入后按順序存入數據存儲器DS1225中保存。存儲器的內容是經(jīng)過(guò)有效值轉換及A／D轉換后的數據（00H～FFH），而存儲器的地址就代表存儲數據的頻率值測距儀測高儀·流量計·GPS·測厚儀·水準儀·平板儀·羅盤(pán)儀·繪圖機·曬圖機· 。

3．3　數據存儲及顯示電路

　　設計時(shí)考慮到便攜式測試儀需要省電這一特點(diǎn)，應該在現場(chǎng)測試完后就將電源關(guān)掉。以后，為了能對采集數據進(jìn)行進(jìn)一步的分析和研究，數據應具有掉電保存功能。所以，存儲器選用了非易失性的存儲器。通過(guò)比較測試，選用了Dallas公司的DSl225芯片，其內部有鋰電池，能對存儲器供電，存儲容量為8K字節。這樣既可解決掉電存儲問(wèn)題，又能保存對一個(gè)被測網(wǎng)絡(luò )所采集的所有數據。

　　顯示器采用圖形點(diǎn)陣液晶模塊——亞世光公司的YM128128－01，共有橫坐標128點(diǎn)，縱坐標128點(diǎn)，組成128×128的點(diǎn)陣顯示屏。從數據存儲器中取出的數據經(jīng)過(guò)除法子程序的處理（除以2然后取整）作為縱坐標的值。存儲數據的地址作為橫坐標的值，這樣就可確定該點(diǎn)在顯示屏

上的位置。曲線(xiàn)的顯示形式可分為粗顯和精顯，粗顯就是在橫坐標共128點(diǎn)上顯示出全部數據存儲區中（0000H～1FFFH）8K字節的數據，從存儲器中每隔63（3FH）點(diǎn)取一個(gè)數據作為縱坐標的值。如果要得到精確顯示，則可根據需要從鍵盤(pán)輸入將要顯示頻段的上／下限頻率值，每屏顯示128點(diǎn)的幅頻特性曲線(xiàn)，通過(guò)指示線(xiàn)的左右移動(dòng)，在屏幕的下方實(shí)時(shí)顯示出指示點(diǎn)的頻率和幅值，實(shí)現精確測量。

3．4　通訊電路

　　采集的數據通過(guò)串口完成通訊。采用Maxim公司的MAX232（見(jiàn)http：／／www．maxim－ic．com）實(shí)現電平的轉換。單＋5V電源，產(chǎn)生RS232標準電平，實(shí)現與系統微機的串口通訊。

4　軟件設計

　　為使各部分硬件電路按一定順序進(jìn)行工作，在89C52的程序存儲器內固化了用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的應用程序。其中有程序初始化，正弦信號分頻子程序，正弦信號幅度控制子程序，數據采集子程序，信號處理子程序，鍵值處理子程序，顯示畫(huà)面子程序等。

5　測量結果

    電路圖如圖5所示，一個(gè)中心頻率為5kHz的無(wú)源雙T網(wǎng)絡(luò )，使用本儀器測試，所得測試結果

　　該儀器經(jīng)過(guò)一年多在實(shí)驗室及研究所的應用，基本工作情況良好，完全可以替代原低頻特性測試儀BT4。

參考文獻

1　范家慶，沈祝平．掃頻測量技術(shù)．北京：電子工業(yè)出版社，1985：1
2　王曉元．掃頻儀的原理與維修．北京：人民郵電出版社，1993：226
3　孫函芳．徐愛(ài)卿．MCS－51／96系列單片機原理及應用．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996
4　周航慈．單片機應用程序設計技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1991