頻率特性測試儀設計與總結報告(國賽一等獎)

頻率特性測試儀設計與總結報告

作者：仇飛、徐川川、王雅灝摘要：

本設計以ARM紅牛開發(fā)板作為整個系統(tǒng)的控制核心，通過軟件產(chǎn)生頻率線性變化的正弦波，并將其提供給被測網(wǎng)絡測試。變化前后正弦波使用軟件測試，并計算其幅頻特性和相頻特性。使用阻容雙T網(wǎng)絡制作被測網(wǎng)絡。關鍵詞：

ARM開發(fā)板、阻容雙T網(wǎng)絡、加法器。

一、方案論證與選擇

總體方案設計：根據(jù)題目要求，頻率特性測試儀的功能是能夠將輸出可調正弦波給被測電路，并測量經(jīng)過測量電路后正弦波的變化，從而得出幅頻特性和相頻特性。

①方案一：信號源采用RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生信號。用R、C元件組成選頻網(wǎng)絡的振蕩電路為RC正弦波振蕩電路，該電路適于產(chǎn)生1Hz~1MHz范圍內的低頻信號。振蕩頻率由R、C值決定。需要改善輸出電壓幅度的穩(wěn)定問題，在放大電路的負反饋回路里采用非線性元件來自動調整反饋的強弱來維持輸出電壓恒定。所需信號源為頻率連續(xù)變化信號，因此要隨時改變R、C值進而改變輸出信號頻率。將產(chǎn)生的信號送至被測網(wǎng)絡，變化后的信號和變化前信號同時送至集成有效值轉換芯片AD637計算其有效值，經(jīng)過A/D轉換后，再使用模擬除法器得到其幅頻特性。該方案電路結構簡單造價低，不需軟件調試。但對于測量相頻特性較為困難。原理框圖如圖一所示。

②方案二：使用DDS芯片AD9834產(chǎn)生正弦波信號，產(chǎn)生正弦波頻率最高可到25MHz。AD9834是由28位的相位累加器、正弦只讀存儲器和一個10位的DA構成的數(shù)字控制式振蕩器。利用直接數(shù)字合成技術，和AD9834內部的兩個頻率寄存器、FSK技術可以實現(xiàn)單周期內的頻率切換，以及占空比調節(jié)的實現(xiàn)。通過外部引腳控制或控制字控制頻率寄存器和相位寄存器調節(jié)輸出，可以改變輸出波形種類。原理圖如下。

圖一：方案一原理框圖

圖二：方案二原理框圖

③方案三：使用ARM通過軟件編程產(chǎn)生連續(xù)正弦波且頻率在100Hz到100KHz內連續(xù)變化。信號通過阻容雙T網(wǎng)絡后，再將其送至ARM將兩路信號通過軟件計算后得到幅頻與相頻特性。直接使用軟件產(chǎn)生信號既減少了大量的線路連接，又降低了干擾，系統(tǒng)實現(xiàn)方便性能穩(wěn)定而且方便兩路信號比較，方便計算頻率特性。

圖三：方案三原理框圖

方案選擇：方案一輸出信號連續(xù)頻率在要求范圍內連續(xù)可變較難達到而且不易實現(xiàn)步進為10Hz的頻率變化，需要對其輸出電壓穩(wěn)定幅值。方案二需要軟件與硬件結合，電路結構復雜。故考慮選擇方案三。

二、系統(tǒng)原理及框圖

三、單元電路的設計及參數(shù)計算

1.信號源

①電路功能介紹

使用ARM紅牛開發(fā)板通過軟件編程產(chǎn)生100Hz~100KHz正弦波信號，頻率步進10Hz。ARM不可產(chǎn)生帶有負電位的信號，故通過軟件產(chǎn)生的正弦信號有直流分量。使ARM產(chǎn)生頻率為100KHz正弦波信號，需要改善其取點問題，才可使實現(xiàn)最高頻率到達100KHz的輸出信號。②軟件設計思想③軟件流程圖2.阻容雙T

①電路功能介紹

阻容雙T電路為帶阻濾波電路，用來抑制或衰減某一頻段的信號，而讓該頻段以外的信號通過。理想帶阻濾波器電路的頻率響應在通帶內應具有一定的幅值和線性相移，而在阻帶內其幅值應為零。但實際濾波器不能達到理想要求，所以只能對其帶阻內信號有所衰減，不能消除。根據(jù)題目要求中心頻率為5KHz。②器件選擇參數(shù)計算運放選擇：為了減少運放對濾波電路的負載效應，同時便于調整，選擇LF351。LF351具有JFET做輸入級的低失調、高輸入阻抗運放。LF351參數(shù)：輸入偏置電流：25pA；輸入偏置電壓：5.0mV；壓擺率：13V/μS；

單位增益帶寬積：4MHz。f05KHz,02f0，1取C102,R31.83K；RC取R240+15K+16K；又0Q50Rf150A01.990.99；22A0R1若R110K,若Rf9.9K；實際測量值為R19995，Rf9898。

③電路改善:

按上述計算結果選擇器件，實際測得中心頻率不等于4.8KHz，不符合理論計算結果。因電容存在誤差，使得結果偏離。故，使用電阻電容測量儀，精確測得電容電阻值，加入電路，從而獲得較為準確的中心頻率。④電路原理圖：

圖：阻容雙T電路原理圖

3.信號處理

①電路功能介紹

使用ARM軟件產(chǎn)生的正弦信號帶有直流分量，其谷值為高于零電位的電平，若將其通過阻容雙T網(wǎng)絡，則需要將該正弦信號的直流分量去除，因此將從ARM中產(chǎn)生的正弦信號加隔直電容，去掉其直流分量，使得輸出正確的正弦波。信號去除直流分量后，將通過阻容雙T網(wǎng)絡進行濾波，將信號頻率在5KHz中心頻率，帶寬為100Hz范圍的信號去除。經(jīng)過阻容雙T網(wǎng)絡后的信號將通過ARM的GPIO口送給ARM與ARM產(chǎn)生的正弦信號通過軟件計算比較，從而得到其幅頻特性和相頻特性。由于ARM只可識別低于3.3V的低電平，因此，要將經(jīng)過阻容雙T網(wǎng)絡后的信號進行偏置，轉換為全部為高于零電位的電信號。加法器第一級為分壓電路，降低電壓復制，為防止后級送給ARM的信號最大值高于3.3V，將ARM燒壞。加法器第二級為電壓跟隨器，將前后級電路隔離，防止前后電路干擾，造成影響。加法器第三級是主要偏置部分，使用運算放大器實現(xiàn)偏置。將信號輸入運放同相端，并加入限流電阻。偏置電壓加在運算放大器的同相端，將同相端電壓提升，可實現(xiàn)輸出信號與輸入信號對比，信號電壓被全部提高，從而可以將信號送至ARM，進行處理。ARM產(chǎn)生的信號通過隔直和阻容雙T網(wǎng)絡后，需要對其處理才可以再次送給ARM處理，為避免信號處理中產(chǎn)生延遲等現(xiàn)象，所以需要將不經(jīng)過阻容雙T網(wǎng)絡的信號進行同樣的信號處理。

②器件選擇參數(shù)計算運放選擇：

LM358：單位增益頻帶寬1MHz；

輸出電壓擺幅大0~Vcc-1.5V；

供電電源范圍寬：單電源供電時3~30V，雙電源供電±1.5V~±15V；低功耗電流，低輸入偏流，低輸入失調電壓和失調電流；差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。LM324：單位增益頻帶寬1.2MHz；TL072：單位增益頻帶寬3MHz；供電電壓±15V；轉換速率高；

輸入偏置電壓3mV；

實際使用時，LM358和LM324在頻率變高時，信號跟隨部分出現(xiàn)失真，因其壓擺率不滿足，故使得輸出有誤，所以選擇低噪聲JFET輸入運算放大器TLO72作為信號處理部分運放。③特殊器件介紹④電路原理圖

圖：信號處理電路原理圖

4.頻率特性測試①測試方法概述

幅頻特性為信號在經(jīng)過濾波器后放大倍數(shù)的大小和頻率之間的關系。將兩路信號送至ARM，經(jīng)過A/D轉換以后，通過積分法計算出對應平率下的有效值，求得比值，即幅頻特性。相頻特性為輸入信號和輸出信號的相位差與頻率之間的關系，將A/D轉換后的值仍用積分法算出其功率因數(shù)后可得到相位差。②軟件設計思想③軟件流程圖④。。。

四、軟件設計流程五、測試方法和結果

1.計算幅頻相頻特性繪制相位曲線

j2j2AVF1A0100Aj22jj1jj122AVF100Q00

計算得幅頻特性和相頻特性：

A0222A012220Q0242120Q0jarctgQ012/02

頻率相位曲線如下：

Aj2.測試儀器

PC機，一臺；

SDS1102FL數(shù)字雙蹤示波器一臺；YB4340模擬雙蹤示波器一臺；

WY-12±5V、±12V、0~+32V穩(wěn)壓源一臺；XJ1643-02函數(shù)信號發(fā)生器一臺；MF47T萬用表一支。3.測試結果測試項目基本要求發(fā)揮要求制作頻率特性測試儀頻率范圍100-100KHz頻率步進10Hz頻率穩(wěn)定度10^-4測量精度5%自動步進測量，手動預置范圍頻率電壓顯示打印輸出制作被測網(wǎng)絡阻容雙T中心頻率5K帶寬±50Hz相位度數(shù)顯示測量精度3°符號顯示幅頻特性使用示波器顯示同時顯示幅頻相頻使用示波器顯示其它電路測試結果實現(xiàn)實現(xiàn)實現(xiàn)實現(xiàn)實現(xiàn)f5位，v3位未實現(xiàn)實現(xiàn)4.95K±100Hz實現(xiàn)2°符號實現(xiàn)實現(xiàn)實現(xiàn)觸屏鍵盤可實現(xiàn)任意步進，測量范圍。雙蹤波形顯示，相頻特性及幅頻特性顯示及范圍調節(jié)。4.結果分析六、設計總結

七、參考文獻八、附

擴展閱讀：201*年全國電子設計大賽題目簡易頻率特性測試儀(E題)

201*年全國大學生電子設計競賽試題

參賽注意事項

（1）9月4日8:00競賽正式開始。本科組參賽隊只能在【本科組】題目中任選一題；高職

高專組參賽隊在【高職高專組】題目中任選一題，也可以選擇【本科組】題目。（2）參賽隊認真填寫《登記表》內容，填寫好的《登記表》交賽場巡視員暫時保存。（3）參賽者必須是有正式學籍的全日制在校本、�？茖W生，應出示能夠證明參賽者學生身

份的有效證件（如學生證）隨時備查。（4）每隊嚴格限制3人，開賽后不得中途更換隊員。

（5）競賽期間，可使用各種圖書資料和網(wǎng)絡資源，但不得在學校指定競賽場地外進行設計

制作，不得以任何方式與他人交流，包括教師在內的非參賽隊員必須避，對違紀參賽隊取消評審資格。（6）9月7日20:00競賽結束，上交設計報告、制作實物及《登記表》，由專人封存。

簡易頻率特性測試儀（E題）

【本科組】

一、任務

根據(jù)零中頻正交解調原理，設計并制作一個雙端口網(wǎng)絡頻率特性測試儀，包括幅頻特性和相頻特性，其示意圖如圖1所示。

Acost正交掃頻信號源Asint

低通ADCI測量被測網(wǎng)絡低通ADCQ顯示

圖1頻率特性測試儀示意圖二、要求1．基本要求

制作一個正交掃頻信號源。

（1）頻率范圍為1MHz~40MHz，頻率穩(wěn)定度≤10-4；頻率可設置，最小設置

單位100kHz。

（2）正交信號相位差誤差的絕對值≤5，幅度平衡誤差的絕對值≤5%。

E1/4

（3）信號電壓的峰峰值≥1V，幅度平坦度≤5%。

（4）可掃頻輸出，掃頻范圍及頻率步進值可設置，最小步進100kHz；要求

連續(xù)掃頻輸出，一次掃頻時間≤2s。

2．發(fā)揮部分

（1）使用基本要求中完成的正交掃頻信號源，制作頻率特性測試儀。

a.輸入阻抗為50，輸出阻抗為50；

b.可進行點頻測量；幅頻測量誤差的絕對值≤0.5dB，相頻測量誤差的絕對值≤5；數(shù)據(jù)顯示的分辨率：電壓增益0.1dB，相移0.1。

（2）制作一個RLC串聯(lián)諧振電路作為被測網(wǎng)絡，如圖2所示，其中Ri和

Ro分別為頻率特性測試儀的輸入阻抗和輸出阻抗；制作的頻率特性測試儀可對其進行線性掃頻測量。

a.要求被測網(wǎng)絡通帶中心頻率為20MHz，誤差的絕對值≤5%；有載品質因數(shù)為4，誤差的絕對值≤5%；有載最大電壓增益≥-1dB；b.掃頻測量制作的被測網(wǎng)絡，顯示其中心頻率和-3dB帶寬，頻率數(shù)據(jù)顯示的分辨率為100kHz；

c.掃頻測量并顯示幅頻特性曲線和相頻特性曲線，要求具有電壓增益、相移和頻率坐標刻度。

o

R0LCRiusRou

圖2RLC串聯(lián)諧振電路

（3）其他。三、說明

1．正交掃頻信號源必須自制，不能使用商業(yè)化DDS開發(fā)板或模塊等成品，

自制電路板上需有明顯的覆銅“201*”字樣。

E2/4

2．要求制作的儀器留有正交信號輸出測試端口，以及被測網(wǎng)絡的輸入、輸

出接入端口。

3．本題中，幅度平衡誤差指正交兩路信號幅度在同頻點上的相對誤差，定

義為：U2U1

U1

4．本題中，幅度平坦度指信號幅度在工作頻段內的相對變化量，定義為：

UmaxUmin100%。

100%，其中U2≥U1。

Umin

uo1us2

5．參考圖2，本題被測網(wǎng)絡電壓增益�。篈v20lg

6．幅頻特性曲線的縱坐標為電壓增益（dB）；相頻特性曲線的縱坐標為相移

（）；特性曲線的橫坐標均為線性頻率（Hz）。

7．發(fā)揮部分中，一次線性掃頻測量完成時間≤30s。四、評分標準項目方案論證主要內容比較與選擇方案描述系統(tǒng)原理濾波器設計ADC設計被測網(wǎng)絡設計特性曲線顯示滿分2設計報告理論分析與計算7電路與程序設計電路設計程序設計6測試方案及測試條件測試結果測試方案與測試結果完整性測試結果分析3E3/4

摘要設計報告正文的結構設計報告結構及規(guī)范圖表的規(guī)范性性總分基本要求實際制作完成情況完成（1）發(fā)揮完成（2）部分其他總分

220501630450E4/4

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