频率特性测试仪的设计
简易放大器频率特性测试仪的设计(测试部分)【文献综述】
文献综述电子信息工程“简易放大器频率特性测试仪的设计（测试部分）”前言频率特性测试仪也叫扫描仪，早期的频率特性测试仪是通过手动改变频率的方法逐点测量完成的，后来按照这种方法设计了专门的扫描仪用于频率特性的测量。
早期的测量仪大都采用分立元件来实现各种功能，显示部分也是用传统的示波器。
所以体积大、设备重、故障率高、操作复杂、价格昂贵，有的只能测量幅频特性，且精度不高。
像BT6型超低频频率特性测试仪，就是采用分立元件。
由于分立元件分散性大，参数变化与外部条件有关，因而产生的频率稳定度差、精度低、抗干扰能力不强，成本反而高。
随着频率合成技术及微电子技术的发展，频率特性测试仪也得到改进，扫频源采用数字量进行控制，数字化信号源可以弥补分立元件的不足，测量部分也进行了数字化的改进，大多都在低频段(小于1MHz)，测试仪的智能化程度仍然不是很高，扫频范围也不宽，相位测量精度也不高，虽然有一些测试仪也具有很高的精度和很宽的扫频范围，但是价格极其昂贵。
近几年，随着现代电子技术的飞速发展，各种仪器都偏向小型化、数字化、智能化、低功耗方向发展，频率特性测试仪作为一种重要的测量仪器，也在不断的发展，由于直接频率合成(DDS)技术的日益成熟，为频率特性测试仪的数字化开辟了道路，液晶显示器技术的成熟使频率特性测试仪小型化成为可能。
主题频率特性测试仪是显示被测电路幅频、相频特性曲线的测试仪器1、频率特性测试仪概念频率特性测试系统，包含测试信号源、被测网络、检测及显示三部分。
频率特性指系统传递不同频率的正弦信号的性能，包括幅度频率特性和相位频率特性。
幅度频率特性描述系统对于不同频率的输入正弦信号在稳态情况下的衰减或放大特性；相位频率特性描述系统的稳态输出对于不同频率的正弦输入信号的相位滞后或超前的特性。
2、测量原理对于一个电子部件，一个网络或一个系统的频率特性是可以用实验方法测试。
测试方法有点频测量法和扫频测量法。
点频测量法的方框图如图1所示。
简易频率特性测试仪论文设计
2013年全国大学生电子设计竞赛简易频率特性测试仪（E题）【本科组】2013年9月6日摘要本实验以DDS芯片AD9854为信号发生器，以单片机STM32F103RBT6为核心控制芯片。
系统由5个模块组成：正弦扫频信号模块，待测阻容双T网络模块，整形滤波模块，A/D转换模块及显示模块。
先以单片机送给AD9854控制字产生1MHZ —40MHZ的扫频信号，经过阻容双T网络检测电路，两路路信号通过AD9283对有效值进行采集后进入单片机进行幅值转换，最终由TFTLCD显示输出。
ABSTRACTIn this experiment, the DDS chip AD9854 as the signal generator, MCU STM32F103RBT6 as the core control chip, and with FPGA as auxiliary, and on the peripheral circuit to realize the detection of amplitude frequency and phase frequency. The system comprises 6 modules: signal sine sweep signal module, the measured resistance capacitance of double T module, filter module, A/D conversion module and display module. The first single-chip microcomputer to AD9854 control word generate sweep signal of 10MHZ - 40MHZ, the resistance and capacitance of double T detection circuit, two road signals are collected on the effective value through the AD9283 into the microcontroller to amplitude conversion, the LCD display output, finally to complete the amplitude frequency and phase frequency of simple test.目录1系统方案 (1)1.1 AD9854模块的论证与选择 (1)1.2 单片机控制系统模块的论证与选择 (1)1.3 显示模块的论证与选择 (2)1.3 电源模块的论证与选择 (2)2系统理论分析与计算 (2)2.1 系统原理的分析 (2)2.2 滤波器的设计 (3)2.2.1 滤波器电参数的计算 (3)2.2.2 Multisim仿真电路 (3)2.3 ADC设计 (4)2.3.1 AD9283 匹配电路设计 (4)2.3.2 电路图 (5)2.4 被测网络设计 (5)2.4.1 被测网络的电参数选择 (5)2.4.2 Multisim仿真 (5)3电路与程序设计 (6)3.1电路的设计 (6)3.1.1系统总体框图 (6)3.1.2 正交扫频信号子系统框图与电路原理图 (7)3.1.3 单片机显示系统模块子系统框图与电路原理图 (8)3.1.4电源 (9)3.2程序的设计 (9)3.2.1程序功能描述与设计思路 (9)3.2.2程序流程图 (10)4测试方案与测试结果 (11)4.1测试方案 (11)4.2 测试条件与仪器 (12)4.3 测试结果及分析 (13)4.3.1测试结果(数据) (13)4.3.2测试分析与结论 (13)附录1：电路原理图 (14)附录2：源程序 (16)简易频率测试仪（E题）【本科组】1系统方案本系统主要由AD9854模块、单片机控制系统模块、显示模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
频率特性测量仪
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。
简易频率特性测试仪的设计
简易频率特性测试仪的设计加在前面：术业有专攻。
一般写一些东西我也不会在空间瞎发，弄的别人以为自己瞎显摆。
不过我觉得我们电子设计的过程确实值得其他小组学习一下，比如说老葛焊板子那种芯片的布局，还有我们用4个按键解决所有数字的设置的思想。
我希望大家看到文章的时候不是觉得怎么吊炸天，其实我们这种水平比我们吊炸天的多了去。
我们之所以有敢厚着脸皮把这么次的设计思想分享出来，主要希望能把其中的某一些发光点分享给大家，同时希望他人给我们的更宝贵的意见和建议。
----end----电子设计三中，仪器仪表组的第一个题目，是简易频率特性测试仪的设计。
这个题目取自2013年的E题：简易频率特性测试仪（E 题）。
为了纪念近一个月的工作，特撰以此文纪念我们第七小组历经了的艰辛岁月。
在此，感谢组长葛家瑾大神、还有范一华同学的辛勤付出，还有李煜及其他一些学长的帮助。
特发上图，以作纪念。
在本次完成题目的过程中，葛大神早早完成了公式推导、电路理论和原理的分析，并组织我们在工作上分工（虽然他好像对“被我和范一华排挤去焊电路板”很不满意私下抱怨并耿耿于怀，哈哈）。
下面我简单的回顾一下我们的这次设计：其中，有关硬件电路的部分是葛大神负责的，我只是略懂了原理，故仅仅略述。
我主要承担的是AD采样部分的程序，还有就是通过操作液晶屏和按键实现的程序的总体逻辑控制程序。
范一华同学主要完成的是AD9854部分的程序，正弦波输出及其幅度补偿，还有扫频部分的程序。
下面，我从入手这道题目的开始状态，来一步步回顾一下。
下面，先把题目贴出来：/*=======================开始贴题目=======================*/【本科组】一、任务根据零中频正交解调原理，设计并制作一个双端口网络频率特性测试仪，包括幅频特性和相频特性，其示意图如图 1 所示。
二、要求1．基本要求制作一个正交扫频信号源。
（1）频率范围为1MHz~40MHz，频率稳定度≤10^-4；频率可设置，最小设置单位100kHz。
一种频率特性测试仪的设计
电子设计工程Electronic Design Engineering第19卷Vol.19第6期No.62011年3月Mar.2011一种频率特性测试仪的设计徐玲，林贻翔，邓震宇（武汉大学电子信息学院，湖北武汉430079）摘要：以单片机89C51和可编程逻辑器件（FPGA ）为控制中心，设计了一个频率特性测试仪，用于测试某一特定网络的频率响应特性。
本系统的主要特点是由FPGA 驱动多种串行芯片，在精简了系统电路结构的同时也不影响程序的效率。
其中扫频信号由AD9851的串行方式产生，扩展了频率范围及稳定性。
幅度测量由有效值采样芯片AD637和10位串行A/D 转换器TLV1544配合实现，相位测量采用计数法实现。
频率特性曲线由12位串行双D/A 转换器TLV5638输出，并经示波器显示出来。
本系统幅度测量精度达到5％，相位测量精度达到1°。
关键词：扫频信号；幅度测量；相位测量；串行芯片中图分类号：TM935文献标识码：A文章编号：1674－6236（2011）06-0072-03Design of a frequency characteristics testerXU Ling ，LIN Yi -xiang ，DENG Zhen -yu（School of Electronic Information ，Wuhan University ，Wuhan 430079，China ）Abstract:Based on the microcontroller 89C51and FPGA ，an instrument ，named frequency characteristic tester ，was designed to test the frequency response characteristic for a certain network.The main feature of the system is the use of many serial chips ，which are driven by FPGA.It not only simplifies the circuit ’s structure ，but also won't slow down the efficiency of the program.The sweep frequency signal is produced by AD9851，which expands the frequency range and enhances the stability of the system.The amplitude measurement is achieved by the cooperation of a RMS sampling chip AD637and a 10-bit serial A/DC TLV1544.The phase measurement is achieved by using counting process.The frequency characteristic curve is produced by the dual 12-bit serial D/AC ，TLV5638，and displayed on the oscilloscope at last.The accuracy of amplitude and phase measurement can respectively reach 5%and 1°.Key words:sweep frequency signal ；amplitude measurement ；phase measurement ；serial chips收稿日期：2010-12-07稿件编号：201012023作者简介：徐玲（1989—），女，北京人。
频率特性测试仪报告
所以，综合比较采用方案一。
5.相频特性的测量与选择
A.相频测试总体方案
1）方案一：积分法
将异或鉴相器的异或输出脉冲送至积分器积分，当积分电压达到一定值时再通过一个回路放电，并测量充放电的时间T1，T2。根据其比值算出其相位差。
方案说明：这种方案测量精度高且与被测信号的频率关系不大，可以测量高频信号间的相位差。但这种方法对积分电路和充放电时间的要求较高，因此不采用。
3）方案三：低通滤波法
将输入和输出信号分别经过过零比较器后对其输出方波进行异或操作。将此异或输出信号微分得到两个对应被测信号负向过零瞬间的尖脉冲，利用非饱和型高速双稳态电路被这两组负脉冲所触发，输出周期为T、宽度为TX的方波，若方波幅度为Ug，则此方波的平均值即直流分量可得。用低通滤波器将方波中的基波和谐波分量全部滤除后，输出电压即直流电压。上式中T为被测信号的周期，TX由两信号的相位差 决定。TX与 的关系为： 。若A/D的量化单位取为Ug/3600,则A/D转换结果即为 的度数。
由此可得幅频特性和相频特性完整的信息。
方案说明：采用这种方法时要制作冲激响应 ，并对输出响应进行数据采集，再对采集的数据进行FFT以得到 。但在实际应用中，而且此测试方法对软件的计算能力要求比较高，必须采用微机系统，故不采用。
所以，综合比较采用方案三。
3.被测双T网络的设计与选择
1）方案一：采用无源阻容双T网络
无源双T网络的中心频率 ，可以达到题目要求的5KHz，但是其Q值很小。而根据题目要求，其Q=5K/100=50,无源网络不能满足其要求，所以必须使用有源双T网络。
（图3.无源双T电路图）
2）方案二：采用有源阻容双T网络
(完整)年简易频率特性测试仪
摘要本设计的实现的简易频率测试仪中主要包括正交扫频信号源的设计、被测网络的设计、信号混合电路的设计、低通滤波器的设计以及模数转换和显示模块的设计。
利用直接数字式频率合成器AD9854实现正交扫频信号源的设计，被测网络我们采用LRC谐振电路设计实现，利用AD835设计了乘法混合电路，自己利用滤波器设计软件设计了滤波器软件,利用C8051f020单片机最小系统控制高速AD7862完成模数的转换,最后在LCD屏上显示得到的相频曲线和幅频曲线.本系统中设计中我们及设计完成了要求完成任务外,设计了友好人机交互接口,实现了频率可设置、在实现的过程中不仅能够改变频率，而且可以改变频率改变的分度值，最重要的是我们不论是改变频率还是频率改变的分度值我们都使用了同一个按键,设置了确认键让使用者有一个良好的体验。
关键词：简易频率测试仪，AD9854,正交扫频信号源，C8051f020单片机AbstractThe design of a simple realization of the frequency measuring instrument mainly includes orthogonal frequency sweep signal source design， the tested network design, mixed signal circuit design， the design of low pass filter and analog to digital conversion and display module design。
The design of direct digital frequency synthesizer AD9854 to achieve orthogonal frequency sweep signal source， the measured network we use LRC resonant circuit design, the multiplication of mixed circuit design using AD835, their use of filter design software to design filter software， using C8051f020 single chip minimize system control of high speed AD7862 analog—to-digital conversion, finally shows the phase frequency curve the amplitude frequency curve in the LCD screen。
基于单片机的频率特性测试仪设计
摘要本文主要以单片机为控制核心，设计了一个频率特性测试仪。
文中主要阐述了该仪器的结构、工作原理和性能特点。
整个系统主要包括控制电路、数控扫频信号源电路、峰值测量电路、相位差测量电路以及数控衰减网络。
该仪器硬件结构简单，软件设计灵活，具有测量范围宽、精度高、使用方便等特点。
关键词:直接数字频率合成（DDS）;电子测量;幅频特性;相频特性;单片机目录1 绪论 (1)2 系统总体方案设计…………………...…………………………………………….错误！未定义书签。
2.1 频率特性的基本概念 (1)2.2 测量原理 (1)3 系统硬件原理框图设计 (2)3.1 控制电路设计 (3)3.1.1 最小单片机系统 (3)3.1.2 通信接口电路 (3)3.2 数控扫频信号源的电路设计 (4)3.2.1 直接数字合成芯片AD7008介绍 (4)3.2.2 AD7008与单片机的接口电路 (5)3.2.3 低通滤波器设计 (7)3.2.4 信号放大输出电路 (8)3.3 相位测量电路设计 (9)3.3.1 相位测量原理框图 (9)3.3.2 测相电路硬件设计 (9)3.4 幅值测量电路设计 (10)3.4.1 峰值检测电路 (10)3.4.2 A/D转换器MAX197介绍 (13)3.4.3 MAX197和单片机的接口电路 (15)3.5输入衰减电路设计 (15)4 系统软件设计 (16)4.1 单片机通信程序的实现 (16)4.2 单片机测量控制程序的设计 (17)4.2.1 频信号源的控制程序设计 (17)4.2.2 相位测量程序的设计 (19)4.2.3 幅值测量程序的设计 (20)5 结束语 (22)致谢 (22)参考文献 (23)1 绪论在电路测试中，常常需要测试频率特性．电路的频率特性体现了放大器的放大性能与输入信号频率之间的关系，频率特性测试仪是显示被测电路幅频、相频特性曲线的测量仪器。
传统扫频仪不仅价格昂贵、体积庞大，而且只能显示幅频特性曲线，不能得到相频特性曲线，更不能打印被测网络的频响曲线，给使用带来诸多不便．为此，设计了一种基于单片机的频率特性测试仪。
频率特性测试仪报告
是
功能改变
否
图 7 主程序流程图
四、测试方案与测试结果 1.测试仪器
（1）RIGOL DS1104 示波器 （2）RIGOL DG1062 信号发生器 （3）RIGOL DP832 直流电源 （4）VICTOR VC890C+ 数字万用表
6
2.测试方法
（1）正交扫频信号源测量 DDS 产生两路正交信号，输入示波器，即可显示相应波形，频率，幅度，相 位等信息，改变频率观察幅度变换。设定信号源的扫频范围与步进，用示波器测 量扫频信号，记录实验结果。 （2）发挥部分测量 设定信号输出频率，用示波器测量两路信号幅值与相位，记录实验结果。单 独测试 RLC 网络，把其接入信号源，设置负载 50Ω ，扫频模式，观察中心频率 及品质因数。记录实验结果。
Q
2
跟随器 Ths3001 放大器 放大8倍 跟随器 Ths3001 放大器 放大8倍 跟随器 RLC网络 AD835 乘法器 OPA2320 8阶低通 滤波器 直流 放大器 ADC AD835 乘法器 OPA2320 8阶低通 滤波器 直流 放大器 ADC
I STM32 单片机 显示屏 显示特 性曲线
三、电路与程序设计 1.DDS 模块设计
下图 2 为 AD9854 外围电路。69 号参考时钟引脚接 30MHz 有源晶振，通过程 序设置倍频 6 倍，使系统时钟达到 180MHz。AD9854 产生两路正交信号，两路输 出连接电阻均采用 49.9Ω ，后接截止频率 120MHz 七阶滤波器滤除噪声。其他引 脚参考 AD9854 手册经典电路进行连接。为满足幅值要求，我们采用 Ths3001 芯 片制作如下图 3 所示同向放大器，使输出信号经过放大器峰峰值可放大 4 倍。
图 2 AD9854 设计电路
频率特性测试仪设计与总结报告(国赛一等奖)
频率特性测试仪设计与总结报告(国赛一等奖) 频率特性测试仪设计与总结报告(国赛一等奖)频率特性测试仪设计与总结报告作者：仇飞、徐川川、王雅灏摘要：本设计以ARM红牛开发板作为整个系统的控制核心，通过软件产生频率线性变化的正弦波，并将其提供给被测网络测试。
变化前后正弦波使用软件测试，并计算其幅频特性和相频特性。
使用阻容双T网络制作被测网络。
关键词：ARM开发板、阻容双T网络、加法器。
一、方案论证与选择总体方案设计：根据题目要求，频率特性测试仪的功能是能够将输出可调正弦波给被测电路，并测量经过测量电路后正弦波的变化，从而得出幅频特性和相频特性。
①方案一：信号源采用RC正弦波振荡电路产生信号。
用R、C元件组成选频网络的振荡电路为RC正弦波振荡电路，该电路适于产生1Hz~1MHz范围内的低频信号。
振荡频率由R、C值决定。
需要改善输出电压幅度的稳定问题，在放大电路的负反馈回路里采用非线性元件来自动调整反馈的强弱来维持输出电压恒定。
所需信号源为频率连续变化信号，因此要随时改变R、C 值进而改变输出信号频率。
将产生的信号送至被测网络，变化后的信号和变化前信号同时送至集成有效值转换芯片AD637计算其有效值，经过A/D转换后，再使用模拟除法器得到其幅频特性。
该方案电路结构简单造价低，不需软件调试。
但对于测量相频特性较为困难。
原理框图如图一所示。
②方案二：使用DDS芯片AD9834产生正弦波信号，产生正弦波频率最高可到25MHz。
AD9834是由28位的相位累加器、正弦只读存储器和一个10位的DA构成的数字控制式振荡器。
利用直接数字合成技术，和AD9834内部的两个频率寄存器、FSK技术可以实现单周期内的频率切换，以及占空比调节的实现。
通过外部引脚控制或控制字控制频率寄存器和相位寄存器调节输出，可以改变输出波形种类。
原理图如下。
图一：方案一原理框图图二：方案二原理框图③方案三：使用ARM通过软件编程产生连续正弦波且频率在100Hz到100KHz内连续变化。
一种频率特性测试仪的设计
（ 汉 大 学 电 子信 息学 院 ，湖 北 武 汉 ４ ０ ７ ） 武 ３ ０ ９
摘 要 ：以 单 片机 ８ Ｃ １ 可编 程 逻辑 器件 （ Ｐ Ａ） ９５ 和 Ｆ Ｇ 为控 制 中心 ， 计 了一 个频 率 特 性 测 试仪 ， 于 测试 某一 特 定 网络 设 用
的频 率 响 应 特 性 。本 系统 的 主要 特 点是 由 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ驱 动 多种 串行 芯 片 ， 精 简 了 系统 电路 结 构 的 同时也 不 影 响 程序 的 在
ｔ ｅ ｔｔ ｅ ｆ ｑ ｅ ｃ ｅ ｐ ｎ ｅ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｔ ｏ ｅｔ ｉ ｅｗｏｋ Ｔ ｅ ｍａｎ ｆａｕ ｅ ｏ ｅ ｓ ｓｅ ｉ ｔ ｅ ｕ ｅ ｏ ｎ ｅ ａ ｏ ｔｓ ｒ ｕ ｎ ｙ ｒ ｓ ｏ ｓ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉ ｆ ｒａ ｃ ｒａｎ ｎ ｔ ｒ ． ｈ ｉ ｅ ｔ ｒ ｆｔ ｙ ｔ ｍ ｓ ｈ ｓ ｆｍａ ｙ ｓ ｒ ｌ ｈ ｅ ｉ ｃ ｈ ｉ
第 ｌ ９卷 第 ６期
Ｖｏ ．９ １ １
Ｎｏ６ ．
电子 设 计 工 程
Ｅｌ ｃｒ ｎ ｃ Ｄｅ ｉ ｎ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｅ ｔｏ ｉ ｓｇ ｇ ｎ ｅｉ ｇ
２ １ 年 ３月 ０１
Ｍａ ． ０１ ｒ２ ｌ
一
种 频率 特性 测试 仪 的设计
11.频率特性测试仪实验报告
频率特性测试仪实验报告实验目的：1、了解频率特性测试仪的工作原理2、学会设计一个双T被测网络，并且能够达到所给要求3、了解频率特性测试仪设计的整体系统设计，以及各子系统设计的方案思路4、掌握频率特性测试仪的信号源产生方法，并能够设计DDS信号源电路5、掌握频率测试仪的检波显示原理并能够设计一个符合要求的峰值检波器。
实验原理：频率测试仪就是一个扫频仪，它体现的是输出电压随频率变化的关系。
它是根据扫频法的测量原理设计而成的，就是将扫频信号源和示波器的X-Y显示功能结合在一起，用示波管直接显示被测二端网络的频率特性曲线，是描绘网络传递函数的仪器。
频率特性测试仪组成框图扫频仪有一个输出端口和一个输入端口：输出端口输出等幅扫频信号，作为被测网络的输入测试信号；输入端口接收被测网络经检波后的输出信号。
可见，在测试时频率特性测试仪与被测网络构成了闭合回路。
一个频率测试仪应该有三个部分组成：信号源、被测网络和检波及显示部分。
扫频信号源：频率由低到高或由高到低变化的正弦波振荡源，称为扫频。
频率的变化可以是连续的，也可以是步进式的。
扫频信号的幅度、扫频的频率变化范围可以方便地控制。
扫频的速度与测量仪的其他部分的工作同步。
扫频信号源在扫频过程中，通过采用ALC（自动电平控制）技术使幅度保持一致（可视为恒等于1），这样，可省去对输入激励信号的幅度测量和求输出输入幅度比值的运算。
信号源的产生方法有多种，按需要可做成点频（连续波CW)，频率自动步进(STEP)，频率连续变化（扫频SWEEP)等形式。
采用锯齿波电压作为压控扫频振荡器（VCO）的控制量，同时用作显示的X 轴扫描电压以达到扫频和曲线显示的同步。
标量网络分析仪只作幅频测量，而矢量网络分析仪还作相频特性测量。
网络分析仪对信号源的质量要求比扫频仪高，通常采用频率合成器作为扫描源，合成器的频率由数字量控制。
常见的扫频信号产生方法：压控振荡（VCO ），函数发生器、锁相环（PLL ：Phase Lock Loop ）频率合成器、直接数字频率合成或直接数字合成（DDFS ，或DDS ）和PLL+DDS本题属低频测试系统，DDS 信号源和8038芯片制作的VCO 信号源（反馈稳频或PLL ）都可以采用。
基于STM32的频率特性测试仪的设计
基于STM32的频率特性测试仪的设计摘要：本文介绍了一种基于STM32的频率特性测试仪的设计。
该测试仪采用STM32微控制器作为主控芯片，通过与时钟电路连接，实现对输入信号频率的测量。
测试仪具有高精度、高性能和易使用的特点，可广泛应用于电子测量、信号调试等领域。
关键词：STM32，频率特性，测试仪，微控制器1.引言频率特性是衡量电子设备性能的重要参数之一、频率特性测试仪是用于测量电子设备输入信号频率的仪器。
传统的频率特性测试仪器往往价格昂贵，且使用繁琐，因此有必要设计一种成本低廉、易使用的测试仪。
本文基于STM32微控制器设计了一种频率特性测试仪，具有较高的测量精度和性能。
2.设计原理频率特性测试仪的设计原理是通过测量输入信号的周期来计算频率。
测试仪采用STM32微控制器作为主控芯片，通过外部时钟电路提供时钟信号。
输入信号经过滤波电路去除噪声，然后通过时间计数器进行周期测量。
最后通过数学运算获得输入信号的频率。
3.硬件设计测试仪的硬件设计包括主控芯片、时钟电路、滤波电路和显示模块。
主控芯片采用STM32系列微控制器，具有快速的运算速度和丰富的外设接口，便于与其他模块连接。
时钟电路提供稳定的时钟信号，保证测量的准确性。
可选择使用晶振或者RTC（实时时钟）。
滤波电路用于去除输入信号中的噪声，保证测量的稳定性。
可以使用RC滤波电路或者数字滤波算法。
显示模块用于将测量结果显示出来，可以选择液晶显示屏或者数码管。
4.软件设计测试仪的软件设计包括时钟配置、滤波算法和频率计算。
时钟配置是通过STM32的时钟配置寄存器对时钟频率进行设置，保持稳定的时钟信号。
滤波算法可以选择常见的滑动平均滤波算法或者数字滤波算法，用于去除输入信号中的噪声。
频率计算是通过计算周期的倒数得到频率值，并将结果显示出来。
5.实验结果与分析通过使用基于STM32的频率特性测试仪，我们可以得到输入信号的准确频率。
实验结果表明，使用该测试仪可以实现高精度的频率测量，误差较小。
简易频率特性测试仪的设计与实现
低通滤波后（假设滤波器对幅度的影响为C）：
（1）
基于此，结合C8051F020单片机自带模数转换（Analog to Digital Converter，ADC）功能，本文设计并实现了一款简易
I = ABC cosφ 2
（2）
频率特性测试仪，能在中低频1~40 MHz范围内准确地显示
类似的，可计算得到正交分量支路：
输入端Z加上一个大于1 V的直流偏置，直流偏置电压可通
过可控稳压源配合电阻分压的方式获得，具体的乘法器电
图1 简易频率特性测试仪总体设计框架
路如图2所示。
作者简介：张雅希（1993— ），女，江西萍乡人，助教，硕士；研究方向：数据获取与算法分析。
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第21期 2019年11月
无 线 互 联 科 技·设 计分析
出被测网络的频率特性和相频特性曲线[3]。
Q = Asin (ωt ) ⋅ B cos (ωt + ϕ )
1 系统设计 1Байду номын сангаас1 总体设计方案
=
AB 2
sin
(
2ωt
+
ϕ
)
−
sin
ϕ
本简易频率特性测试仪的设计目标为：可在1~40 MHz
低通滤波后（假设滤波器对幅度的影响为C）：
（3）
频率范围内扫频输出（最小步进100 kHz）、幅频特性、相频 特性曲线通过液晶屏幕显示，同时支持点频测量。总体设计 方案如图1所示：C8051F020单片机配合AD9854 DDS专用集 成芯片，产生正交扫频信号；正交信号经由乘法器、低通滤 波器（LPF）构成的零中频解调网络，输出同相分量I和正交 分量Q的直流信号；C8051F020本身配置有8位及12位ADC， 模拟直流信号经ADC模数转换后送入单片机进行数据的运
数字式频率特性测试仪的设计(附图)_测试仪表
数字式频率特性测试仪的设计（附图）_测试仪表o站点模拟式扫频仪价格昂贵，不能直接得到相频特性，更不能打印网络的频率响应曲线，给使用带来诸多不便。
为此，我们研究和设计了低频段数字式频率特性测试仪。
该测试仪用压控振荡器产生扫频信号，以单片机为控制核心，通过A/D、D/A等接口电路，实现扫频信号频率的步进调整、数字显示及被测网络幅频特性和相频特性的数显等。
总框图如图1所示。
该系统成本低廉，扫频范围较宽（10Hz~1MHz），并可方便地和打印机连接以实现频率特性曲线的打印。
1 扫频信号源的设计在频率特性测试仪的设计中，扫频信号源的质量具有重要的意义。
无论是模拟式扫频仪，还是数字扫频仪，都需求扫频信号源具有线性压控的特性，且扫频波的输出幅度应是恒定的，不因频率或被测网络的改动而改动。
为此，我们选用低线性误差的函数发生器ICL8038[1]构成控振荡器，如图2所示。
用D/A转换器提供控制电压D/A转换器的输入数字量由单片机给出，如图3所示，可实现数字量的手动和自动调整。
为了提高信号源的负载能力，我们将压控振荡器的输出信号送入一宽频带功率放大器，从而增大其驱动能力。
关于宽带功放电路已有非常多优秀的器件或电路可供选用，此处不再赘述。
振荡器的振荡频率由图2中的定时元件R、C及控制电压决定。
当R和C一定时，改动ICL8038的8脚电压可改动振荡器的振荡频率。
实验表明，仅靠改动压控电压来改动扫频波的频率是不能满足测量需求的（频率范围太窄）。
为了扩展频率范围，我们采用了分档转换电容的办法。
电容C通过一电子开关接入，单片机根据扫频皮的频率值自动给出相应的开关量（三位），从而选择所接入的电容值，可使扫频频率范围扩展到10Hz~1MHz。
2 幅频特性和相频特性的测量和打印扫频波频率的测量和显示由单片机完成。
宽带功能输出的正弦信号，经整形所送单片机供其测量并显示频率。
用单片机完成这一任务已有较成熟的方法。
值得注意的是测频的时间时隔不是固定的：数显时，时间间隔应较长（我们定为1s)，因显示时必须延时一段时间才能便于观察；打印时，时间间隔较小（我们定为1ms），便于在较短时间内打印全频段数据。
频率特性测试仪
频率特性测试仪设计并制作一个频率特性测试系统，包含测试信号源、被测网络、检波及显示三部分。
1．设计思路幅频和相频特性测量采用扫频测试法。
当系统在正弦信号的激励下，稳态时，响应信号与输入激励信号频率相同，其幅值比即为该频率的幅频响应值，而两者的相位差即为相频特性值。
采用频率逐点步进的测试方法。
需对信号进行时域与频域的变换计算，通过对模拟量的测量与计算完成，且精度较高。
扫描信号产生采用数字直接频率合成技术(DDFS)。
以单片机为控制核心,通过相位累加器的输出寻址波形存储器中的数据,以产生固定频率的正弦信号。
优点：实现简单，频率稳定，抗干扰能力强。
幅度检测采用二极管峰值检测电路。
相位检测采用计数法,两路信号经整形异或后，所得的脉冲占空比能反映相位差的大小，由此测得其相位差。
采用多周期同步计数法，可使量化误差大大减小，精度很高。
被测网络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 =5KHZ，带宽100 HZ，故要求被测网络的品质因素Q为50，这样高的Q值用无源双Ｔ网络是不可能做到的。
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。
2 系统总体设计该系统以单片机为控制核心，用DDFS技术产生频率扫描信号，采用真有效值检测器件AD637测量信号幅度。
通过单片机控制输出由8段数码管显示。
图 1 系统总体设计框图2.1 数控扫频信号源的电路设计在频率特性测试仪的设计中，扫频信号源的质量具有重要的意义。
无论是模拟式扫频仪，还是虚拟扫频仪，都要求扫频信号的频率能够按一定的模式逐点调节。
为此，本设计中选用直接数字合成(DDS)芯片作为扫频信号源的核心芯片。
由单片机对直接数字合成(DDS)芯片进行控制，构成一个频率和幅度均可控的扫频信号源。
2.1.1 AD7008与单片机的接口电路低8位数据线与单片机的数据总线相连。
仪器集成的幅频特性测量仪的设计方案
仪器集成的幅频特性测量仪的设计方案引言：幅频特性（Amplitude-Frequency Characteristics）是用来描述信号输入与输出之间响应的传递函数。
在电子设备的设计和调试中，幅频特性是一个重要的指标，它可以帮助工程师了解系统对不同频率的输入信号的响应情况。
为了满足工程师在幅频特性方面的需求，我们设计了一款仪器集成的幅频特性测量仪。
设计方案：1.输入模块：输入模块用于接收待测试的信号。
它包括信号输入接口和防护电路。
为了能够接收不同频率和振幅的信号，输入模块应设计为可调节的。
防护电路用于保护仪器不受高电压或过流损坏。
2.信号发生器：信号发生器用于产生待测信号。
它应具有稳定的频率输出和可调节的振幅。
为了满足需求，可以采用数字信号发生器或函数信号发生器。
3.滤波器：滤波器用于对输入信号进行滤波。
其设计应根据需求选择合适的滤波器类型，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
滤波器参数的选择应考虑待测信号的频率范围和对应的输入输出特性。
4.放大器：放大器用于增强信号的幅度，使得信号能够在滤波器和数据采集与处理模块中进行准确测量。
放大器应满足高增益、低噪声和良好的线性度等要求。
5.数据采集与处理模块：数据采集与处理模块用于采集和处理经过放大器处理后的信号。
它可以采用模数转换器（ADC，Analog-to-Digital Converter）来将模拟信号转换为数字信号，并进行数据处理和分析。
为了提高测量精度，ADC的分辨率应选择合适的位数。
6.显示与控制模块：显示与控制模块用于显示测量结果并对测量过程进行控制。
该模块可以采用液晶显示屏或数码显示屏，用于显示幅频特性曲线和相关参数。
同时，它还应提供用户友好的操作界面和控制按钮。
除了上述模块，还可以对仪器进行一些功能扩展，如加入硬件校准电路、自动测量功能、数据存储与导出功能等，以提高仪器的可靠性和实用性。
总结：仪器集成的幅频特性测量仪的设计方案是一个综合考虑硬件和软件的任务。
程控频率特性测试仪硬件设计
法 ： 不 同 频 率 的标 准 正 弦 信 号 通 过 待 测 系 统 ， 过 记 让 通 录 和 比 较 输 入 、 出 波 形 的 幅 度 相 位 关 系 ， 到 系 统 的 输 得 幅频 和相频 特性 。
在 电路里 ， 入频 率用 ２ 输 ＭＨｚ的 晶 振 产 生 ， 度 可 精
ａ ｈａ ｅ ｍｅ ｓ ｒ ｉｃ ｔ ｎｄ ｐ ｓ ａ ｕ ｅ ｃ ｒｕｉ．
Ｋ ｅ ｗｏｒ ｆｅ ｕｅ ｙｃｈ ｒｃ ｅｉｔｃ ｐ ｓ ｐｕ ｉ ＤＤＦＳ ｙ ｄｓ ｒ ｑ ｎｃ ａａ ｔ ｒｓｉ ｈａ ｅ ｓ ｒｎｇ
为测定 未 知 系统 的频 率 特性 ，通 常采 用 扫频 的方
ｓｎｕ ｏｄａ ｖ ｓ １ ０Ｈｚｔ Ｏ Ｈｚ ａ ｄ ｔ ｅ ｆｅ ｕｅ ｃ ｎ ｅ ｖ ｌｉ ０Ｈｚ Ｍａ ｉ ｇ ｔ ｅ ｓｎｕ ｏ ｄ ｖ ｏ ｂ ｈ ｉ ｎ ｏ ｒ ｅ ｏ ｈ ｏ ｉ ｓ ｉ ｌ ｗａ ｅ ｉ ０ ｏ ｌ Ｏｋ ｎ ｈ ｒ ｑ ｎ ｙ ｉｔ ｒ ａ ｓ １ ． ｋ ｎ ｈ ｉ ｓ ｉ ａ ｗａ ｅ ｔ ｅ ｔ ｅ ｓｇ ａ Ｓ ｕ ｃ ｆｔ ｅ ｈ ｍｅ— ｍａ ｅ ｌ ｌ ｄ
达 １ ０～ 。 前 置 分 频 电 路 用 可 编 程 定 时 器 ８ ５ 产 生 ２３
频率特性测试仪的设计
频率特性测试仪的设计国成哲;王中训;王文奇;张珉;娄阳【摘要】To measure the frequency characteristic of the linear time-invariant system,we proposed a design of a low cost FCI for university students.This instrument is based on FPGA and high-speed ADC/DAC system.It uses DDS to generate the sine wave sweep signal.Transformed by the DAC,it is output to the measured network.Then the response of the measured network is acquired by the ADC and sent to FPGA.The FPGA measures the changes of the amplitude and the phase of the signal and sends the results to PC to display.The instrument has a frequency range of 0～20 MHz,an input gain of ±40 dB,a phase resolution of 5°,and can display the amplitude-frequency curve and the phase-frequency curve in real-time.The results can be saved as files.The design is low cost,easy to implement and strongly scalable,and can meet the needs of the target population well.%为了对线性时不变系统进行频率特性进行测试,本设计提出了一种低成本、面向学生的频率特性测试仪的设计方案,本仪器为基于FPGA及高速ADC/DAC构建的数字频率特性测试仪系统.其通过DDS产生正弦扫频信号,经高速DAC转换输出,被测网络响应信号由ADC采集后输入FPGA,得出信号经被测网络后产生的幅度变化和相位变化.本仪器具有0～20 MHz的扫频范围、±40 dB输入增益范围、5°相位分辨率、可实时显示被测网络的幅频特性曲线和相频特性曲线,并可将测试结果保存为文件.本设计成本低、易实现、具有较强的可扩展性,可很好地满足目标人群的要求.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2017(025)011【总页数】6页(P102-106,110)【关键词】频率特性测试仪;现场可编程逻辑阵列;信号生成;信号采集【作者】国成哲;王中训;王文奇;张珉;娄阳【作者单位】烟台大学光电信息科学与技术学院,山东烟台264005;烟台大学光电信息科学与技术学院,山东烟台264005;烟台大学光电信息科学与技术学院,山东烟台264005;烟台大学光电信息科学与技术学院,山东烟台264005;烟台大学光电信息科学与技术学院,山东烟台264005【正文语种】中文【中图分类】TN911.22频率特性是以频率为变量描述系统特性的一种图示方法。
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频率特性测试仪的设计
1引言
频率特性是一个网络性能最直观的反映。
频率特性测试仪用于测量网络的幅频特性和相频特性，是根据扫频法的测量原理设计，是一种快速、简便、实时、动态、多参数、直观的测量仪器，可广泛应用于电子工程等领域。
由于模拟式扫频仪
价格昂贵，不能直接得到相频特性，更不能打印网络的频率响应曲线，给使用带来
诸多不便。
为此，设计了低频段数字式频率特性测试仪。
该测试仪采用数字直接频
率合成技术专用的集成电路AD9851产生扫频信号，以单片机和FPGA为控制核心,通过A/D和D/A转换器等接口电路，实现扫频信号频率的步进调整、数字显示及被测
网络幅频特性与相频特性的数显等。
该系统成本低廉，扫频范围较宽(10 Hz〜1MHz), 可方便地与打印机连接，实现频率特性曲线的打印。
2多功能计数器设计方案
2.1幅频和相频特性测量方案
方案1：利用公式H(s)=R(s)/E(s),以冲击函数为激励，则输出信号的拉氏变换与系统函数相等。
但是产生性能很好的冲击函数比较困难，需要对采集的数据做FFT变换，需要占用大量的硬件和软件资源，且精度也受到限制。
方案2：扫频测试法。
当系统在正弦信号的激励下，稳态时，响应信号与输入激励信号频率相同，其幅值比即为该频率的幅频响应值，而两者的相位差即为相频特性值。
采用频率逐点步进的测试方法。
无需对信号进行时域与频域的变换计算，通过对模拟量的测量与计算完成，且精度较高。
综上所述，选择方案2。
2.2扫描信号产生方案
方案1：采用单片函数发生器。
其频率可由外围电路控制。
产生的信号频率稳定度低，抗干扰能力差，灵活性差。
方案2：采用数字锁相环频率合成技术。
但锁相环本身是一个惰性环节，频率转换时间长，整个测试仪的反应速度就会很慢,而且带宽不高。
方案3：采用数字直接频率合成技术(DDFS)。
以单片机和FPGA为控制核心，通过相位累加器的输出寻址波形存储器中的数据，以产生固定频率的正弦信号。
该方案实现简单，频率稳定，抗干扰能力强。
综上分析，采用方案3。
2. 3幅度检测方案
方案1：采用二极管峰值检测电路。
但是二极管的导通压降会带来较大误
差， 小信号测量精度不高，而且模拟电路易受到外部的影响，稳定性不高。
方案2：采用真有效值检测器件。
该方法电路简单，精度高，稳定性高。
综上所述，采用方案2。
2. 4相位检测方案
方案1：相位电压转换法。
采用低通滤波法和积分法。
低通滤波法的滤波环
节和精度不高；积分法精度较高，但是对积分电路和放电回路的要求很高。
方案2：计数法。
两路信号经整形异或后，所得的脉冲占空比能反映相位差
的大小，由此测得其相位差。
采用多周期同步计数法，可使量化误差大大减小，精 度很高。
综上所述，选取方案2。
3系统总体设计
该系统以单片机和FPGA 为控制核心，用DDFS 技术产生频率扫描信号，采 用
真有效值检测器件AD637测量信号幅度。
在FPGA 中，采用高频脉冲计数的方法测 量相位差，经过单片机运算，可得到100 Hz 〜100 kHz 中任意频率的幅频特性和相 频特性数据，实现在该频段的自动扫描，并在示波器上同时显示幅频和相频特性曲 线。
用键盘控制系统实现各种功能，并且在LCD 同步显示相应的功能和数据，人机 交互界面友好。
图1给出系统总体设计框图。
4理论分析与计算
4. 1扫频测试法理论依据
设频率响应为H(j 3)的实系数线性时，不变系统在信号x(n)_Acos(3 0n+f)
激励下的稳态输出为y(n)。
利用三角恒等式，可将输入表示为2个复指数函数之和: 图1系统怠体位计框图
箕盘 扫描信号源
单片机
A(n)=g(n)+^*(n)
式中，g(n)二等i距网口对于输入为酒％线性时，不变系统稳态
输出为HQ*%根据线性性质可知，输入g(m)的响应ng)
为：讯用”;忸泌H(,弼㈣口同理:输入g1c(")的箍出力*S)是力
(电)的复共4E口于是得到输出y(n)的表达式:y(n)R(n)H；*(7i)
y(n)= 1 A 梦s je^+g A €或1« 巧e*=A 1耳(州)匕间国泌+93c Ml
因此，输出信号和输入信号是频率相同的正弦波，仅有两点不同：第一，振幅被|H(ej3)|加权，即网络系统在3 =3 0的幅度函数值；第二，输出信号相对于输入信号有一个数量为q(3 0)的相位时延，即网络系统在3 =3 0的相位值。
4. 2 DDS信号源
根据DDFS原理所产生的波形频率为：
月也.畀
式中fclk为基准频率，M为相位增量因子，N为累加器的位数。
M取22,N取24。
为得到100 kHz的信号，而且在每个周期希望取到32个以上点，则累加器输出后级D/A转换需要至少3. 2 MHz的速度，于是选取建立时间为30 ns、10位的DAC900,不仅满足了对D/A转换速度的要求，而且具有10位数据线，减少了 D /A转换中固有的量化误差。
fclk取40MHz，频率的最小步进：
△格熹=40乂1做点力田9 H%
4.3相位差测量
设INl和IN2为两路具有相位差经整形后得到的方波信号，Gate2为INl 和IN2经过异或后得到的脉冲信号，Fo为FPGA内部的标准高频脉冲信号，取40MHz。
将IN2八分频，结合单片机控制，可得到一个动态门控信号Gatel。
动态门控与脉冲信号相“与”，可得到门限内的有限个脉冲信号Gate2。
Gate1中含有IN2的4个周期，Gate2含有8个异或脉冲。
其中分别对clk进行计数，分别得到计数值M和N。
| △中|=^].2=^~x360°,…।# 一，
根据公式’‘一历斗精确地测得相位差绝对值。
其时序如图2所示。
由于对高频脉冲计数可能存在±1的误差:
I Mg 1 N14400。
△小什-△片恭翳乂360。
-恭疝360% 叫£ J Fl J. 上J FJ E twX.
在 F=100kHz 时，Mmin- 1600,则6 max （△中）^0.9°
FPGA内部生成一个D触发器，以INl为触发器的数据输入，IN2为触发器的时钟输入，若触发器输出端为高电平，则△¥ >O°；若输出端为低电平，则
△¥ <0°。
m JLTLrLrLTLrL ：
■旧 TTErLTUmjl !
Gacel
金, nnnnnnnn
Fo
图2测相时序图
5主要功能电路
5.1有效值检测模块
采用高精度、高带宽的真有效值检测器件AD637。
输出直流约有0. 1 V的波纹.对小信号的测量存在很大误差。
系统有效值检测模块后接一级截止频率为10 Hz 的低通滤波器，滤除直流信号的波纹。
即使在最小的有效值，检测几乎没有误差。
如图3所示。
+12V
AD637
Bl 叫M SI AC NC OFFSET +VS CS M DI SMSOUT
图3真有效值检测模块电路
5.2示波器显示模块
为了在示波器上显示曲线，需要通过2个D/A转换器向X、Y轴同步送入扫
描信号和数据信号。
选用DAC0800作为数模转换器，由于扫描信号为0〜5 V的锯齿波信号，而数据信号为一 5-5 V,扫描信号和数据信号的D/A转换器分别采用单极性和双极性接法。
图4给出DAC0800双极性接法电路，单极性接法只将R1短路即
图4 DAC0800双极性接法电路
6系统软件设计
系统软件部分由单片机和FPGA 组成，单片机主要完成人机交互部分的处理
和系统的控制，FPGA 主要完成测相和RAM 的实现。
整个软件系统的设计中模块化思 想贯穿始终，采用菜单选择所用功能。
图5为程序流程图。
7结语
频率特性测试仪的幅度特性测试的频率范围达100 Hz 〜100 kHz,频率稳定
度10-6,测量精度5%,能在全频范围和特定频率范围内自动步进测量，可手动预 置测量范围及步进频率值。
相频特性测试的频率范围500 Hz 〜10 kHz,相位值显示 3位，以1位作为符号位，测量精度为1°,并能用示波器显示幅频特性和相频特性 曲线。
该系统操作简单，测量精度很高，具有可行性和实用性，其成品经优化包装 具有良好市场。
可。
DAC0800 ■E16 VLC Bl B2 B3 B4
B5 M B7 Bg
怕E VD[>
I OUT IW VREF- VKEF+ COMP
E 3
■J - R -------- 4 4.5kQ -K
{Output O 」H F 工
系统初始化
显示“欢迎”界面
图5程序流程图。