频率特性测量仪摘要该频率特性测量仪采用89C52最小系统为控制核心，主要由正弦波发生器、数据采集存储、处理、显示、打印等功能模块组成。

通过键盘控制来实现幅频特性和相频特性的测量，包括参数预置、点测结果的显示与打印，以及用普通示波器单独或同时显示幅频特性曲线和相频特性曲线。

本系统采用可编程器件（CPLD）和DDS技术实现信号发生电路，频率值与步长均能灵活准确地预置。

被测网络采用有源带通双T网络，中心频率及带宽均达到要求：f0=5KHZ 、50Q。

另外，我们还制作了线性稳压电源，扩展了幅频特性曲线和相频特性曲线的打印功能。

设计中，较好地应用了EDA工具，软件设计模块化，总体较好地完成了基本部分和发挥部分的要求。

关键词：DDS，EDA，CPLD，双T网络，有源滤波，鉴相，数据采集一．总体方案论证㈠．总体设计思想本频率特性测试仪的设计思想为：1、尽量做到测试准确，自动化、智能化程度高，操作方便。

2、尽量采用大规模集成电路如可编程逻辑器件等，使系统简洁、调试修改方便，可靠性高。

3、尽量采用现代化设计工具和EDA软件平台，使设计快捷，先进。

㈡．总体设计方案基于以上设计思想，本系统采用单片机和可编程器件（CPLD）作为控制及数据处理的核心，将设计任务分解为正弦信号发生器、被测网络、数据采集与存储、幅频特性测量、相频特性测量、结果显示、打印等功能模块。

图1－１给出该系统的总体框图。

图1－１系统总框图如上图所示正弦波发生器采用DDS直接数字频率合成技术，其逻辑控制部分用可编程器件CPLD实现。

幅度测量采用峰值检波技术，相位测量则利用数字鉴相器实现。

检波电路和鉴相电路输出分别经A/D 采集后由89C52 读进存储在RAM 中，再经分析处理后输出到ＬＥＤ显示电路、波形显示控制电路或控制打印输出电路，以实现频率特性参数和频率特性曲线的显示或打印。

由于使用了89C52 单片机和ＣＰＬＤ器件，使系统具有很大的灵活性，便于实现各种复杂控制，从而能方便地对系统进行功能扩展和性能改进。

二．频率特性测试仪信号源的设计与制作（一）、信号源方案选择产生该系统所需测试信号源的方法有多种：1．采用锁相环(PLL)及可预置分频器实现测试信号的产生,其实现框图如图２－１所示。

图2－１锁相环实现信号发生方框图现有集成PLL的VCO一般都产生方波，而不是正弦波，而且在不改变VCO 电容的情况下，要达到100HZ ～100KHZ 的频率范围有很大困难，所以我们不予采用。

2．利用单片集成波形发生器芯片实现测试信号产生当前常用的单片集成波形发生器有5G ８038、MAX038等，这类集成芯片产生波形的原理是基于多谐振荡器，即恒流源向一定时电容充放电而产生的三角波，然后经过波形变换电路得到正弦波。

只要控制电容充放电电流即可改变振荡频率。

其框图如图２－２所示。

图２－２ 单片集成函数发生器组成的频率合成电路这种方案是改变电容充放电电流来达到改变频率的目的，精度不高，做到10HZ 步进也有许多困难，所以我们也不予采用。

3．采用专用频率合成器件，如：ＡＤ７８３２、Ｑ２３６８和Ｑ２３３４等。

4．利用单片机和可编程器件实现直接数字频率合成(DDS)，采用这种纯数字化的方法，产生信号的频率准确，频率分辨率高，故本设计中我们采用这种方案。

(二)、直接数字频率合成器（DDS ）的设计：1、设计原理本设计利用DDS （Direct Digital Synthesis ）技术实现正弦信号输出发生器的原理框图如图２－３所示。

图２－３ 本设计DDS 原理框图其基本工作原理为：将待产生的正弦波数据存入波形存储器中，CPU 改变相位增量寄存器(PIR)的常数(即步长)，相位累加器的输出将依据PIR 给出的步长来改变波形存储器的地址，从而改变正弦波每周期的点数，以达到改变输出波形频率的目的。

从波形存储器读出的数据送D/A 转换器，并经低通滤波器(滤除波形中的小台阶)，最后得到所需的正弦波信号。

信号发生器输出波形的频率0f 可依据下式计算，即：M k f f Nc⨯=20 （2—1） 式中： c f －晶k －可N －相位累加器位数M －相位增量寄存器常数值(即相位累加器的步长)由式（２—１）可见，我们可以通过改变分频比k 及相位累加器步长M 来控制输出信号的频率。

本设计中取c f =32.768MHZ ，分频比k =50,相位累加位数N =16,则公式(2－１)简化为：Hz M M HZ M k f f N c10506553610768.32260=⨯⨯⨯== (2－２) 这样只要控制M 的值就可以准确地实现频率步进１０ＨＺ的要求。

这里，D/A 转换的时钟频率为 KHz Hz k f f c s 36.6555010768.326=⨯== （2—3） 根据频率计算公式(2－２)，DDS 部分参数设置举例如下：2．可编程器件电路内部设计本模块设计中除CPU ，晶振，D/A 及低通以外的全部电路(如图2—3中虚线内所示)，由一片Altera 公司的可编程器件EPM7128SLC84来实现。

EPM7128SLC 是一种高密度，高性能的CPLD(complex programmable logic device),有128个宏单元，68个I/O 引脚，支持在系统编程(ISP). 其设计仿真工具软件MAX-PLUSII 支持原理图和硬件描述语言(AHDL和VHDL)等设计输入方式，使用十分方便。

EPM7128SLC84内部原理图如下图所示：图２－４ EPM7128SLC84内部原理图其中1为相位增量寄存器，相位增量由8255PA口发出，控制字由8255的PC.0和PC.3发出。

PC.0为低时，寄存器接收低字节；为高时，寄存器接收高字节。

锁存脉冲由PC.3发出。

LPM_ADD_SUB为相位累加器；74273B为数据锁存器；df50为50分频器，设计时采取AHDL硬件描述语言输入：SUBDESIGN DF50( CLK : INPUT;CK50 : OUTPUT;)VARIABLECOUNT[5..0] :DFF;BEGINCOUNT[].CLK=CLK;IF COUNT[]<49 THENCOUNT[]=COUNT[]+1;ELSECOUNT[]=0;END IF ;CK50=COUNT[5];END;3.Ｄ/A转换与低通滤波器的设计Ｄ/A采用８位DAC0800，工作速度为100nS。

低通滤波器采用二阶有源滤波器，其截止频率选为300k。

这是因为信号最高频率为100k，而 DDS的时钟频率为655.36KHZ（据式2-3）。

经过该滤波器后便可滤除655.36KHZ及其谐波分量（即波形中的小台阶），其原理电路如图２－５所示。

图２－５(a) Ｄ／Ａ原理图图２－５(b) 低通滤波器原理图三． 被测网络的设计与制作（－）、被测网络的方案论证1．根据试题指标要求不能采用无源双Ｔ网络* 题目要求，双Ｔ网络带宽为±５０ＨＺ，说明其幅频特性是对称的，所以必须采用对称的双Ｔ网络结构* 中心频率50=f ＫＨＺ，带宽100=∆f ＨＺ，故要求被测网 络的品质因素Q 为5010050000==∆=f f Q 这样高的Q 值用无源双Ｔ网络是不可能做到的。

因为如图３－１ （a ）所示的对称无源双Ｔ网络的传递函数Ｈ（s ）为()22222002202)1(4)1(RC s RC s RC s s Q s s s H +++=+++=ωωω 可见，其Ｑ值仅为0.25。

图(b)给出无源双T 网络的幅频特性。

图(a)无源对称双Ｔ网络 图(b)无源对称双Ｔ网络幅图３－１ 频特性曲线示意图2．为提高Ｑ值，必须采用有源双Ｔ网络滤波器。

有源双Ｔ网络可以是带阻，也可以是带通，根据对题目的理解我们选择了带通。

所以下面仅对带通滤波器的设计与制作加以讨论。

(二）、高Ｑ有源双Ｔ网络滤波器的设计原理双Ｔ网络本身是一个带阻滤波器，如果要构成带通滤波器，则要将双Ｔ网络引入到运算放大器的负反馈回路中去。

而且为了提高Ｑ值，要将其零极点分布加以调整。

本设计采用图３－２电路，图中，A与双Ｔ网络构成有源带阻电1路，处于运放A的反馈支路中，2A构成反相相加器，将输入信号i U与2带阻滤波器的输出信号U01相加。

图３－２有源带通滤波器原理图经推导，该带通滤波器的传递函数为：)(1)()()(56760s H R R R R s u s u s H F i +-==（３—１）式中)()()(001s U s U s H F =为带阻滤波器的传递函数。

229822980113)1(4)1)(1(31)()()(0CR s RC R R s CR s R R s u s u s H F +-+++== （３—２）将该式代入（3—1）式，得2220020)()(ωωωω++++'-=s Qs s Q s H s H F（３—３）式中，)1(4398R R Q F -=（３—４）RC10=ω （３—５） )1(33985676R R R R H ++=' （３—６）F Q R R R R Q ]3)1(1[9856++= （３—７）中心频率0f 所对应的增益0H 为FQ QH H 00'= （３—８） 该滤波器的幅频特性)(ωj H 为2022202022200)()()()()(QQ H j H Fωωωωωωωωω+-+-'= （３—９）相频特性为22001220010180)(ωωωωωωωωωϕ---+-=--Q tg Q tg j F （３—10） 定性画出该滤波器的幅频特性及相频特性如图3－3所示：图３－３ 有源带通滤波器的幅频特性与相位特性示意图 （四）、有源带通双Ｔ网络的参数计算已知,100,5HZ f KHZ f =∆=则50=Q 。

＊ 选pf c c pf c c c c 20002,10003421====== ＊ 选Ω==Ω=====k RR k cf R R R R 9.152,8.312130421π＊ 选8R ，9R ,根据式（3－４），F Q 为正，98R R 必须小于１选,3,75.098==F Q R R 取k R k R 24,1898==＊ 选,6R 5R根据 50]3)1(1[9856=++=F Q R R R R Q选Ω=k R 1006，算出Ω≤k R 6.35。

用一个１ＫΩ电阻和一个１０ＫΩ电位器串联来调节。

＊ 选7R7R 与增益有关，试题对增益没有明确要求，我们选6.1)1(33985676=++='R R R R R R H算出Ω=k R 2.37，用一个１ＫΩ电阻和一个５ＫΩ精密电位器串联来调节。

＊ 中心频率0f 所对应的增益0H 为： 66.266.1350=⨯='=H Q Q H F （二） 带通源滤波器的计算机仿真（虚拟实验）结果，利用ElectronicsWorkbench 软件运行虚拟实验，其结果分别如下图所示。