簡易綜合測試儀

1、 簡易綜合測試儀摘要：本作品為由電平（電壓）表與電平振蕩器組成的簡易綜合測試儀。電平（電壓）表采用真有效值/直流轉(zhuǎn)換芯片AD637把被測交流信號轉(zhuǎn)換為直流有效值并通過AD采樣單片機處理顯示電平（電壓）值，可測量20Hz到1MHz的交流信號。電平振蕩器采用直接數(shù)字頻率合成芯片AD9851進行頻率合成，并經(jīng)過放大濾波輸出頻率、增益可控正弦波，還具有幅頻特性測試與幅頻數(shù)據(jù)存儲回放功能。關(guān)鍵詞：單片機 直接數(shù)字頻率合成 真有效值變換 放大與濾波一、方案設(shè)計與論證：1.1系統(tǒng)框圖整個個系統(tǒng)由電平表與電平震蕩器兩部分組成，包括控制與顯示等模塊，總體框圖如圖1.1所示：功能選擇交流信號有效值檢測電平振蕩發(fā)生

2、器單片機AD采樣自動檔位選擇電平值顯示幅值與頻率控制濾波與輸出幅頻特性存儲與顯示1.2方案設(shè)計與比較本設(shè)計分為電平振蕩器和電平測量儀兩個部分，分別實現(xiàn)產(chǎn)生頻率和幅值可控的信號和檢測寬頻帶交流信號的功能，有以下幾種方案：1電平（電壓）表方案一：采用高速AD轉(zhuǎn)換器對被測交流信號直接采樣，然后再通過數(shù)據(jù)處理得到信號的電子值。為了保證足夠的精度，采樣間隙應(yīng)盡量短，因而要求AD轉(zhuǎn)換器具有較高的采樣頻率，相應(yīng)的控制器也要采用實時控制方式，使控制電路制作難度加大，用于數(shù)據(jù)處理的軟件工作量也較復(fù)雜。方案二：先采用真有效值A(chǔ)CDC轉(zhuǎn)換器將被測的交流信號電壓轉(zhuǎn)換為與其有效值相等的直流電壓，然后通過AD轉(zhuǎn)換器對該直

3、流電壓進行采樣，即可得到被測交流信號的電平值。該方法降低了對AD轉(zhuǎn)換器采樣速率的要求，并且僅使用單片機就可以實現(xiàn)對電路的控制，用于數(shù)據(jù)處理的軟件工作也較簡單。此外，該方案還適用于任意波形信號有效值電平的測量。以上兩個方案都可以達到本題要求，但相對說來，方案二較易實現(xiàn)，故選擇方案二。2電平振蕩器方案一：由RC振蕩器或LC振蕩器構(gòu)成。這是一種較傳統(tǒng)的振蕩器電路形式，這種振蕩器電路的不足之處是：組成較繁雜，調(diào)試較困難，不易實現(xiàn)程控。方案二：由專用信號發(fā)生器IC芯片構(gòu)成。例如，ICL8038就是一款性價比較高的專用IC芯片，由該芯片構(gòu)成的振蕩器電路簡單，易調(diào)試，且輸出頻率與外加控制電壓成正比，較易實現(xiàn)

4、程控。但ICL8038頻率范圍的上限僅為300kHz，不能滿足題目發(fā)揮部分的要求(頻率上限為1MHz)。方案三：采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)信號源。DDS是一種純數(shù)字化的方法。它先將所需正弦波一個周期的離散樣點的幅值數(shù)字量存人ROM中，然后按一定的地址間隔(相位增量)讀出，并經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器形成模擬正弦信號，再經(jīng)低通濾波獲得所需質(zhì)量的正弦信號。DDS信號源具有輸出頻率穩(wěn)定度高，精度高，分辨率高且易于程控等優(yōu)點，能較好地滿足本題的要求。綜合考慮，選擇DDS方案三。二、電路設(shè)計與理論計算1. 電平測量儀電平振蕩器主要由進行真有效值變換的AD637部分和對直流電壓信號采樣處理單片機組成，總體框圖如圖2

5、.1.1所示：信號輸入程控放大AD637AD采樣單片機顯示 圖 電平測量儀系統(tǒng)框圖(1) 程控放大部分題目中要求測量范圍為0.001到9.99V。根據(jù)被測信號大小，電壓表量程轉(zhuǎn)換器分為10V、1V、0.1V三個量程。為滿足有效值轉(zhuǎn)換模塊電壓范圍，采用兩級放大方式，10V、1V、0.1V三個量程分別對應(yīng)放大0.5倍、5倍、50倍。利用模擬開關(guān)控制前級反饋電阻值實現(xiàn)增益控制。為滿足放大要求，選擇運放AD817進行放大，其帶寬增益積為50M。輸入端由撥碼開關(guān)實現(xiàn)600歐與高阻的切換。電路圖如圖2.1.2所示。(2) 真有效值轉(zhuǎn)換部分題目要求有效值測量誤差小于03dB，選用專用真有效值測量芯片AD63

6、7，其內(nèi)部由硬件實現(xiàn)高精度的真有效值算法。當輸入電壓為100mY時，帶寬標稱值為600kHz；當輸入電壓為2V時，帶寬標稱值為8MHz。當被測信號幅值較小時，須在前級對被測信號進行放大，以保證測量精度。電路如圖2.1.2所示。(3) 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 直接利用MSP430LanchPad上10位AD對信號進行采樣、處理并通過Lcd進行顯示，并控制程控放大，實現(xiàn)自動換擋。 圖 電平測量儀電路圖 2. 電平振蕩器 電平振蕩器以直接數(shù)字頻率合成器AD9851作為核心，該芯片由32位相位累加器、正弦函數(shù)功能查找表、D/A變換器以及低通濾波器集成，可以產(chǎn)生一個頻譜純凈、頻率和相位都可以編程控制且穩(wěn)定性很好的

7、模擬正弦波。AD9851，最高工作頻率可達180MHz， 最大輸出頻率可達70 MHz，最大分辨率為0.04Hz。由于內(nèi)部集成了時鐘6倍頻器和一個高速比較器，要達到180MHz的參考頻率僅需一個30MHz晶振，提高了系統(tǒng)的電磁兼容能力。 電平振蕩部分設(shè)計框圖如下： M C ULCD頻率HCF模擬開關(guān)：幅值選擇LF356電壓跟隨器AD9851合成模擬正弦波按鍵控制頻率AD817電壓跟隨AD817放大器 輸出電平振蕩器設(shè)計框圖(1)頻率的控制：本設(shè)計中參考頻率選用20MHz有源晶振，則經(jīng)AD9851內(nèi)部倍頻器6倍頻后的系統(tǒng)時鐘為120MHz。芯片集成的正弦函數(shù)表位數(shù)N值為32，由頻率直接合成公式：

8、 因此在20MHz晶振產(chǎn)生的參考頻率下的最大分辨率可達0.03Hz。AD9851內(nèi)部有5個輸入寄存器，儲存來自外部數(shù)據(jù)總線的32位頻率控制字，單片機通過對32位控制字的賦值則可精確控制最終合成的信號頻率。最終合成信號的頻率為： 其中：， 為單片機所輸入到AD9851的二進制32位頻率控制字。(2)幅值的控制：根據(jù)輸出信號幅值要求，輸出電平范圍：-30dB+20 dB，步進值為10dB，其中一個電壓的電平定義公式為： (dB) ，則輸出信號的峰峰值為69.2mV22V。 AD817搭建的放大器設(shè)計的放大倍數(shù)為10，從跟隨器輸入的信號峰峰值為2.19V，則衰減倍數(shù)依次為：1、3.16、10、31.

9、6、100、316。如下圖所示，開關(guān)用芯片HCF4051實現(xiàn)。 圖2.1.2電平振蕩器電路三、軟件設(shè)計與分析整體流程：本設(shè)計考慮到電平振蕩器和電平值測量器可以作為兩個獨立的模塊進行工作，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時由于IO口的限制，分別采用兩個單片機控制這兩個模塊。(1)4×4鍵盤控制：先置單片機IOA0IOA3為帶數(shù)據(jù)緩存器的高電平輸出，置IOA4IOA7為帶下的輸入，此時若有鍵按下，取IOA4IOA7的數(shù)據(jù)得到一個高電平值，把此值保存下來后，再置IOA4IOA7為高電平輸出，置IOA0IOA3為輸入，此時若鍵仍沒彈起，IOA0IOA3的數(shù)據(jù)將接收到另一個值，把這兩個值組合即可查表得到鍵值

10、。(2)ADC0809的基頻產(chǎn)生：利用單片機的可編程計數(shù)器溢出產(chǎn)生固定頻率的PWM波，計數(shù)器時鐘CP為單片機的系統(tǒng)時鐘的分頻，計數(shù)器從預(yù)置值x到計滿65535產(chǎn)生一個溢出信號，從而產(chǎn)生頻率、占空比可編程的PWM波，本設(shè)計中，由單片機的復(fù)用IO口產(chǎn)生f5KHz，占空比為50的方波，驅(qū)動ADC0809進行數(shù)模轉(zhuǎn)化。(3)AD9851的控制：參見本文關(guān)于AD9851的論述部分。根據(jù)AD9851的頻率控制算法向AD9851的D0D7端口分四次輸送32位的頻率控制數(shù)據(jù)，并觸發(fā)使能端。數(shù)據(jù)的計算：ADC0809采集到的數(shù)據(jù)Data，換算成電壓，再換算成增益：功能鍵設(shè)置：功能鍵有F1信號產(chǎn)生，F(xiàn)2電平測量，

11、F3存儲回放。 圖9 整體軟件流程圖1電平振蕩器部分：鍵盤輸入電平的頻率和幅值大小，單片機實時控制電平振蕩器（DDS）頻率，并通過控制DAC TLC7254精確調(diào)幅，同時驅(qū)動數(shù)碼管顯示頻率和電壓值。圖10 電平振蕩器部分程序圖2 電平測試儀部分：單片機的復(fù)用IO口產(chǎn)生5kHz的PWM信號驅(qū)動ADC0809，當ADC0809的EOC輸出高電平讀取ADC0809的DATA值并將數(shù)據(jù)存儲到單片機內(nèi)部集成的FLASH存儲器。若檢測到所測電壓值低于0.7V時，單片機觸發(fā)繼電器開關(guān)選擇前級通路切換到放大狀態(tài)，使得AD637對放大后的電壓進行采樣轉(zhuǎn)真有效值，單片機在數(shù)據(jù)處理時再將其按同樣的電壓放大系數(shù)還原修

12、正，則電路可以減小AD637在較低電壓下帶來的精度誤差，擴展信號的測量范圍。 圖11 電平測量儀的程序流程圖四、測試方法與數(shù)據(jù)1測試方法儀器： 數(shù)字示波器Tektronix TDS1002，函數(shù)發(fā)生器EE1420。在室溫條件下，利用電平表對函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號進行測試，與理論值比較。利用示波器觀察電平振蕩器產(chǎn)生的波形頻率與幅度。2測試結(jié)果： 1) 電平（電壓）表測試對不同頻率與幅度的正弦信號進行測試，結(jié)果如表1所示。表1電平電壓表測試結(jié)果電平電壓表測試結(jié)果900KHzVip-p=20V實際顯示值 19.1 （db）實際顯示值7.05V900KHzVip-p=2V實際顯示值-0.75 （db）

13、實際顯示值0.71V900KHzVip-p=200mV實際顯示值-20.8（db）實際顯示值71.0mV200HzVip-p=20V實際顯示值19.0（db）實際顯示值7.03V200HzVip-p=2V實際顯示值-0.74（db）實際顯示值0.70V200HzVip-p=200mV實際顯示值-20.6（db）實際顯示值70.8mV2) 電平振蕩器測試對不同頻率、不同幅值的信號，測試結(jié)果如下表：表：電平振蕩器測試結(jié)果電平振蕩器頻率選值10Hz100KHz2MHz理論選值Vop-p=2.19V 實際輸出2.24V實際輸出2.20V實際輸出2.01V理論選值69.3mV 71.3mV 72.4mV

14、 82.7mV理論選值219mV(-20db)6.93V(10db)21.9V(20db)不同頻率段實際輸出值f10Hz240mV7.12V23V100KHz237mV6.81V22.8V2MHz203mV6.5V21.3V3) 結(jié)果分析測試結(jié)果表明綜合測量儀的主要指標達到要求。電平表具有自動量程轉(zhuǎn)換功能，當被測信號頻率在20 Hz1MHz，有效值在-57.8dB+20.0 dB內(nèi)時，能夠?qū)崿F(xiàn)在較小誤差范圍內(nèi)的自動切換量程測量；電平振蕩器在10Hz2MHz的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了任意頻率的設(shè)置，以及在不同頻率段分別以10Hz、100Hz、1KHz和100Khz的頻率步進，30dB20dB 內(nèi)步進為10dB的電平輸出，在該范圍內(nèi)各級電平都能得到較好的正弦波。五、小結(jié)測試結(jié)果表明本裝置完成了題目的要求。電平振蕩器的輸出帶寬大，幅頻響應(yīng)所帶來的非線性失真也被有效的降低，達到了設(shè)計的要求，但電路采用電阻分壓衰減信號，在低