（信号与信息处理专业论文）频率特性综和测试系统的研究和设计.pdf

频率特性综和i ! j 1 4 试系统的设计和研究 摘要 随着电子测量仪器制造业的飞速发展，用于频率特性测量的网络分析仪和阻抗测量 仪技术发展迅速。传统的频率特性测试仪不仅价格昂贵，且得不到相频特性。它已经向 小型化、宽频带化、智能化、多用性方向发展，本文就是基于这个科研课题进行深入的 研究。 本设计基于扫频法原理，将频响和阻抗的测量有机结合，在充分考虑性价比的前提 下，实现了频率响应测量和阻抗测量双重功能。扫频法的核心是扫频信号源的设计，信 号源的质量直接影响测量精度。d d s 扫频信号源的输出信号具有频率精度高、稳定性 好等优点，因此设计采用单片机为核心，由d d s 扫频信号源产生扫频信号，辅以阻抗 测量辅助电路、检测电路和人机接l _ = j 电路实现各频点频率特性的测量。根据所选的不同 测量模式，系统能够自动切换扫频信号接入点，选择将信号输入到被测网络或阻抗测量 辅助电路。通过输出信号与接入信号的幅值相位关系，便可计算出所测网络的频率响应 或所测元件的阻抗。设计选用l c d 作为显示单元，构成了良好的人机接口。 关键词：频率特性；阻抗；单片机；d d s ；l c d a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i c m e a s u r i n gi n s t r u m e n tm a n u f a c t u r i n 2 ，t h e t e c h n o l o g yo ft h en e t w o r ka n a l y z e ra n dt h ei m p e d a n c ea n a l y z e ru s e dt om e a s u r et h e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sd e v e l o pv e r yf a s t t r a d i t i o n a lf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h et e s t e r 1 sn o to n l ye x p e n s i v e ，a n dd on o th a v et h ep h a s ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s n o wt h e t e n d e n c y i ss m a l l ，w i d eb a n d w i d t h ，i n t e l l i g e n t ，m u l t i u s ed i r e c t i o n i nr e c e n ty e a r s ，w i t ha d v a n c e si n t e c h n o l o g y , t h ef r e q u e n c yi sm o r ea n dm o r ed e p t h ，i n d e p t hs t u d yi sb a s e do nt h er e s e a r c h p r o j e c t s t h ed e s i g ni sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h ef r e q u e n c ys w e e p i n gm e t h o d ；i n c o r p o r a t e t h em e a s u r e m e n to f f r e q u e n c yr e s p o n s ea n di m p e d a n c e o nt h e p r e m i s e o ft h e c o s t 。p e r f o r m a n c eb e i n gf u l l yc o n s i d e r e d ，i tr e a l i z e st h ed o u b l ef u n c t i o no ft h em e a s u r l ：m e n t o ff r e q u e n c yr e s p o n s ea n di m p e d a n c e t h ec o r eo ft h ef r e q u e n c ys w e e p i n gm e t h o di s t h e d e s i g no fs w e p ts i g n a ls o u r c ea n dt h es i g n a ls o u r c e sq u a l i t ym a yd i r e c t l yi n f l u e n c et h e m e a s u r i n ga c c u r a c y t h eo u t p u ts i g n a lo fd d ss w e p ts i g n a ls o u r c eh a st h ea d v a n t a g e so f h i g hf r e q u e n c ya c c u r a c ya n dg o o ds t a b i l i t y , s ot h ed e s i g nt a k e st h em i c r o c o n t r o l l e ra st h e c o r e ，t h es w e e ps i g n a li sg e n e r a t e db yd d s s w e p ts i g n a ls o u r c e ，a n da s s i s t e db yi m p e d a n c e m e a s u r i n ga u x i l i a r yc i r c u i t ，d e t e c t i n gc i r c u i ta n dm a n m a c h i n ei n t e r f a c ec i r c u i tt om e a s u r e t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fe v e r yf r e q u e n c yp o i n t a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc h o s e n m e a s u r e m e n tm o d e ，t h es y s t e mc o u l ds w i t c ht h ea c c e s sp o i n to ft h es w e e p s i g n a l ，c h o o s i n gt o i n p u tt h es i g n a li n t ot h en e t w o r ku n d e rt e s to rt h ei m p e d a n c em e a s u r i n ga u x i l i a r yc i r c u i t b y t h ea m p l i t u d ea n dp h a s er e l a t i o n s h i po ft h eo u t p u ta n di n p u ts i g n a l ，i tc a nf i g u r eo u tt h e f r e q u e n c yr e s p o n s eo ft h en e t w o r ku n d e rt e s to rt h ei m p e d a n c eo ft h ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t b e i n gm e a s u r e d t h ed e s i g nu s e sl c da st h ed i s p l a yu n i tt o c o m p o s et h ef a v o r a b l e m a n m a c h i n e k e yw o r d s ：f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s ；i m p e d a n c e ；m i c r o c o n t r o l l e r ；d d s ；l c d 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1频率特性研究的目的及意义 当一个电路具有一个输入端和一个输出端，如果输入和输出呈线性关系，则称此电 路为线性二端口电路。如图1 1 所示。 ，盯 线r i ：电路 o u t - j ，t -! 图1 1 线性二端口电路框图 研究二端口的目的主要有两个： ( 1 ) 因二端口的参数只取决于构成该二端口的元件及连接方式，故在求得二端口 的参数后，当一个端口处的电压和电流发生变化时，可直接根据其参数求出另一个端口 处的电压和电流，不再涉及二端口内部电路的任何计算。 ( 2 ) 一个复杂的二端口网络，若直接按定义求其参数，计算量将会很麻烦。但一 个复杂的二端口往往可看成由若干个简单的二端口按某种连接形式连接而成的，如果已 知这些简单的二端口的参数，根据它们和复杂的二端口之间的关系就可以直接求出后置 的参数【1 1 。 当对二端口电路加入信号时，二端口电路会因为所构成元件的影响而对信号产生相 应的作用，并且电路会因为所加信号频率的不同而产生不同的作用，即频率响应不同， 而这种作用有时是不能理论计算确定的，尤其是当二端口所处理的信号频带为宽频带 时，对线性二端v i 网络进行其频响特性的测试是极其重要的。在对二端1 5 1 网络的频响特 性进行测试后，就可以得到一个关于此电路的重要指标和参数，在此基础上，对后续数 据处理和其他单元电路的设计都是有着极其重要的参考意义的，依照其体现出的特性， 还可以将电路进行改进，以让其更符合设计要求，这就使整体电路系统更加稳定和完善。 线性二端1 5 1 频响特性测试仪是测量线性二端口网络的频响特性，即幅频特性和相频 特性。精确地测量二端口网络电路的频响特性对于判断电路系统的工作状态是否良好或 者是否能够真正运用在实际生产中有着重要的意义。例如，由运算放大器和反馈网络组 成的放大电路或者由三极管组成的放大或开关电路。随着电子设备市场的急剧发展，对 此类元件的要求也成比例地增长，这些元件所组成电路的性能随频率及其它电路参数的 哈尔滨i 仟- i1 人学硕十学位论文 变化而变化，而且难以预料，因此测量其频响特性是十分必要的。 当一个大小确定的直流信号通过一个l t i 系统时，其输出必定是一个大小恒定的直 流信号，对直流信号来说，系统中的电容和电感分别相当于丌路和短路，这就是平时所 说的电容的通交隔直和电感的通直阻交。当通过系统的直流信号幅值增大时，系统的输 出也随之线性增大。但是对于交流信号而言，系统的响应则不再像通入直流信号时一样 简单。由于电容对交流信号的导通作用和电感对于交流信号阻碍作用，使得系统的特性 发生改变，而在不同频率的交流信号作用下，这两种元件对于信号的对于信号形成的导 通或阻碍作用的程度又是不同的，即产生不同的阻抗。这就使得在对于一个系统的研究 过程中，不得不考虑其频率特性由于通过系统的信号很少只是单纯的直流信号，尤其像 在通信系统中，经过调制的正弦交流信号根据其幅值、频率和相位的不同可以包含很多 信息，这些都是直流信号所无法实现的，所以往往研究系统的频率特性比研究直流信号 对系统的响应更加重要。但是由于系统的频率特性研究起来比较复杂，若想很好的测量 系统的频率特性就要设计频率特性综合测试系统，这也就成为本设计的意义所在。 对于一个已知系统或元件输入正弦信号并且是不同频率的正弦输入信号，那么这个 系统或元件对此的响应特性。系统的频率特性即系统在不同频率下所呈现的不同特性， 由此可见其包含的两方面内容，即系统的频率响应g o m ) l 口系统在不同频率下的阻抗分 析。对于系统的频率响应的研究就是根据对系统的时域分析，获得系统相应的频域特性 曲线。通过频域的幅频特性曲线和相频特性曲线可以直观的看到系统的频率响应。 阻抗表示对流经器件或电路电流的总抵抗能力，是电子元器件和电路系统的基本工 作参数。对于一个线性网络，阻抗定义为加在端 2 1 上的电压u 和流进端口的同频电流，之 比。在直流条件下，线性二端器件的电阻，由欧姆定律来定义。在交流情况下，电压和 电流的比值是复数。如图1 1 所示，阻抗z 可以表示为 ，7 z = - 2 - = r + ，r = izi 已朋= izl ( c o s ( p + j s i n 妒) ( 1 1 ) 其中：z 为复数阻抗；d 为复数电压；，为复数电流；r 为复数阻抗的实部( 即电阻分 量) ；x 为复数阻抗的虚部( 即电抗) ；z 为复数阻抗的绝对值( 或模值) ，l z l 柝砑； 9 为复数阻抗的相角( 即电压0 与电流j 之间的相位差) ，伊= a r c t a n ( x r ) 。 申z i z lc o s 9 ， r 图1 2 阻抗定义示意图及阻抗参数关系图 2 实轴 第1 草绪论 对于系统的阻抗分析而言，由于电感线圈，电容器及电阻器除基本参数( 电感、电 容及电阻) 外，还有一些寄生参量。考虑寄生参量的影响时，线圈和电容就要用等效电 感、电容和电阻来描述。这些等效参量与工作频率有关，因此在工作频率上进行测量， 以上测量也就是集总参数阻抗的测量。而据我们所知的阻抗测量一般是指电路中的r 、 c 、l 及相关的q 值、损耗角、电导等参数的测量 2 1 。其中，电阻表示电路中能量的损 耗，电容表示电场能量，电感则为磁场能量的存储。实际上电路元件要比理想电阻复杂 得多，并且呈现出阻性、容性和感性特性，它们共同决定了阻抗特性。对于阻抗测量仪， 在提高元器件的自动化监测计量水平的同时，也为我们的工作生活提供了很大的帮助。 现在人类社会已经进入了信息化和数字化的时代。因此人们也就要求越来越高水平的电 子产品。如何才能提供可靠准确的测试数据，是对于各种电子产品的最终成形，有着重 要的意义。同时对于广大的科研工作者和工程师，在电子产品的研发、实验、调试等工 作中也具有着广大而深远的意义。 1 2 频率特性测试仪国内外研究现状 频率特性测试仪，又称扫频仪，用来测定各种有源、无源二端口和四端口网络的传 输特性、阻抗特性和反射特性等，它也能方便地测定网络的幅频特性、相频特性和延迟 特性，以及输出电平、通带、增益、衰减、介电常数和反射损耗等性能参数【3 1 。 扫频仪使得测量操作更简便，使得工作效率得到大大的提高，达到了测量过程更快、 更直、更精、更便利的目的，并且有着广泛的应用，如生产、科研、教学上等。它已经 向小型化、宽频带化、智能化、多用性方向发展。由于集成电路的飞速发展，电路元器 件已经从分立元件、集成电路，发展到固体器件的阶段，最后达到整机的大部分电路固 化。扫频仪在无线通信、广播电视、c a t v 系统、雷达导航、卫星地球站和航空航天等 领域内得到了广泛的应用。 常用的频率特性测试仪大致可分为两代： 第一代扫频仪如b t - 3 是以5 0 h z 电源频率和l c 振荡器为基准信号； b t - 3 g i i i 扫频仪是江苏徐州隆宇电子仪器有限责任公司( 原徐州电子仪器厂) 生产 的专用电子仪器。该仪器具有的功能有：全扫、窄扫、点频、矩形内刻度示波管显示等。 还具有测量技术先进、性能稳定可靠、功能齐全、操作简便、测量速度快、精度高等特 点，并获得国际中标荣誉称号。 其主要技术指标如下： ( 1 ) 扫频范围：1 3 0 0 m h z ； ( 2 ) 扫频带宽 1 0 0 m h z ； ( 3 ) 扫频非线性钍5 ； ( 4 ) 输出电压：o 5 v ( 3 3 3 m w ) 土1 0 ； 3 哈尔滨j1 ：程人学硕十学位论文 ( 5 ) 输出平坦度：士o 2 5 d b ； ( 6 ) 输出衰减：0 7 0 d b 、l d b 步进； ( 7 ) 输出阻抗：7 5q ； ( 8 ) 频率标记：5 0 m h z 、1 0 m h z 1 m h z 复合及外接三种，外接频标灵敏度优于 3 0 0 m v ； ( 9 ) 显示部分输入阻抗：4 7 0 k q ； ( 1 0 ) 显示部分垂直灵敏度：优于2 0 m v ( 峰峰) c m ； ( 1 1 ) 显示屏幕有效尺寸：10 0 m m x 8 0 m m 。 b t - 3 g i i i 扫频仪是目前国内流行使用的扫频仪之一，其技术指标可以典型的表现出 国内扫频仪生产的发展的现状。 第二代扫频仪是以i c l 8 0 3 8 等为核心【4 】，利用锁相频率合成技术( p l l ) 或在端口 输出信号，经过a d 、d a 转化器配合控制压控振荡器。 频率特性测试仪的核心是扫频信号发生器，他提供被测网络输入所需的频率随时间 在一定范围内周期变化的正弦信号，扫频信号产生的方法有锁相环( p l l ) 及可预置分频 器、单片集成波形发生器、专用频率合成器件及直接数字频率合成( d d s ) 电路等，d d s 具有超高速的频率转换时间，极高的频率分辨率和较低的相位噪声，在频率改变与调频 时，d d s 器件能够保持相位的连续【5 】【6 1 。而对于一个系统( 或元件) 进行频率特性的综 合测试时必要的，在对其频率特性进行测试后，就可以得到一个关于此系统( 或元件) 的重要指标和参数，在此基础上，对后续数据处理和其他单元电路的设计都是有着极其 重要的参考意义的。同时，对信号的处理能够做到更加精确，有利于系统参数的设定和 处理。因此，频率特性综合测试系统的设计具有一定的现实意义。 阻抗分析仪作为高端元器件测试仪器从产生至今，已经更新了几代的产品，发展到 现在在国内外类似于此种设计的仪表各种各样也各具特色。如：a g i l e n t 4 1 9 2 a 低频阻抗 分析仪对诸如电信滤波器音频视频电子电路之类的器件和基础电子元件完成网络分析 和阻抗分析。对浮点接地器件也可加以测试。4 2 9 4 a 精密阻抗分析仪能在特定点或某一 频率范围测量阻抗( 感抗、容抗、电阻) 和相位，组合分析仪还能测量传输参数及频谱 分析并能提供广泛温度范围( 5 5 0 c 至1 5 0 0 c ) 的温度特性测量方案。h p 4 2 7 4 a 仪表自 动校准后，能使杂散电容减小到2 0 p f ，寄生电感减小到2 0 0 0 n h ，电阻减小到0 5 ，电导 减小到5 1 x s 。各公司都以其产品独有的特点在市场上占有一席之地。但就以上这些产品 和有关此设计的仪表在目前的市场上价格相对都比较高，不能被普通消费者所接受，因 此做一个功能相对单一、舍弃某些系统性能，价格能被广大消费者接受的仪表是十分必 要的。这也是国内的一个市场需求，有待进一步的完善。 我国国内经过4 0 多年的不断努力，在电子测量仪器上取得了突破性的发展，虽然与 国外的先进的电子测量仪器相比还有不可忽视的差距，但我国的产品已经在仪器的品 4 第1 草绪论 种、测试的领域、技术的指标上与r ； t - 的产品接轨，甚至是可靠性和稳定性也有了很大 的进步。 国产扫频仪多利用模拟电子技术，采用模拟电子器件进行设计丌发，使得仪器本身 较难提高精度。虽然扫频范围很高、扫频带宽大，但是对于通常的系统丌发测试并不适 用，却增加了制作成本。而且目日订的扫频仪几乎都不具备阻抗分析功能，但在实际使用 中，阻抗分析功能又是非常实用的。此外，扫频仪的价格依旧非常昂贵，这就使得设计 出一款扫频范围适用、精度高、含有阻抗分析功能、高性价比的频率特性综合测试系统 成为一种需求。 1 3 论文的主要研究内容 1 设计内容 本设计要求以单片机为核心，实现线性元件或系统的频率特性测量并液晶显示测试 结果。 2 研究方法 ( 1 ) 采用自顶而下的设计方法，软硬件综合分析完成系统硬件设计； ( 2 ) 对软硬件进行模块划分，结合e d a 工具对各单元电路进行论证设计； ( 3 ) 在查阅文献基础上展开设计，力求创新，走软件设计道路，节约成本，提高 性能。 3 论文主要内容 第一章绪论。介绍了选题的目的和意义，以及频率特性和频率特性测试仪的国内外 研究现状。第二章对频率特性测量方法进行理论层次上的研究分析，对系统要实现的功 能和实现方法进行了论述。第三章在已有的理论支持下，对频率特性综合测试系统的整 体实现方案进行了选择。第四章建立了阻抗模型。第五章以单片机为核心将系统分块进 行了硬件电路的设计，以硬件电路为基础，同样以单片机为核心设计了系统的软件来完 成整个系统的设计。第六章对系统进行测试。最后，在结论章节给出系统的设计结果， 通过对结果的分析找出问题。 哈尔滨i ：程人! 学硕+ 学位论文 第2 章频率特性的测量方法 在不同频率信号的作用下，由于系统中存在电容、电感等非线性器件，导致整个系 统所呈现的特性有所不同，即系统的频响函数俄徊) 为以频率为变量的函数，随着系 统输入信号的频率不同而改变。众所周知，当一个系统的各元器件各个项目参数在已经 知道的情况下，可以依据电路分析计算出各参数状态变量，来得到我们想要的各种系统 的信息。但由于集成电路的发展，通常我们无法获得一个电路系统的所有元器件参数， 甚至无法知道电路系统的内部结构，只能将整个电路系统看做一个“黑箱”来处理。此时， 我们只需要知道系统的输入与输出，从而得到整个系统等效模型。由于系统的输入与输 出都可以通过测量直接获得，因此系统的频响函数川徊) 便有了不同寻常的理论价值与 实用价值，在实践中和实验中都有着的不同程度的应用 7 1 。测量系统的频率特性，我们 需要对系统在各种不同频率信号作用下所呈现出的不同状态进行阻抗分析。因此要实现 系统的频率特性的测量，就必须实现频率响应测量与阻抗分析两种功能。 2 1频率响应的两种测量方法 频率响应是一种描述系统特性的图示方法，它以频率为变量，可以直观的表现出系 统在不同频率下的不同特性。 2 1 1冲激响应法测量系统频率响应 信号与线性系统理论中对于系统的分析，是在对系统的冲激响应h ( t ) 分析的基础 上建立起来的。根据信号与线性系统理论可知，系统的冲激响应是系统固有的性质，表 达其固有的系统特征，当对其进行傅里叶变换后，就可以得到系统的频率响应，而对其 进行拉普拉斯变换后，就可以得到系统的系统函数。根据系统冲激响应的定义，即冲激 响应h ( 幻为冲激函数万( 力通过系统所引起的响应，我们不难得到频率响应测量的一种 方法。对系统的冲激响应h ( 幻进行傅里叶变换，得到其频响特性麒肋) 。其测量原理如 图2 1 所示。 如何制作冲激函数万以及如何对系统的冲激响应h ( 0 进行数据采集并对其进行傅 里叶变换，便成了此方法的关键。根据冲激函数的定义可知，实际应用中是不可能获得 理想的冲激函数万( 0 的，只要脉冲的宽度足够窄，能满足足够宽的频带宽度即可。由于 窄脉冲的能量小，所以输出响应的信噪比小，影响测量的精度。所以我们通常采取重复 激励的方法，将每次激励的输出相加，由于噪声是随机信号，在多次叠加的过程中相互 抵消，因此可以起到提高信噪比的作用。此外，由于宽带网络的输出响应信号频带宽， 根据采样定理可知，要采用高速a d 进行数据采集，这就使得此方法只适用于低频领 6 第2 章频率特性的测量方法 域。 2 1 冲激法测量频率响应原理图 2 1 2 扫频法测量系统频率响应 线性系统频率响应的另- - n 量方法是以正弦扫频法为基础，其原理在于：正弦信号 通过线性系统后响应仍然是同频率的f 弦信号，幅度的变化就是线性系统在该频率下的 幅频特性，相位的变化就是该线性系统在该频率下的相频特性。在绘制系统的幅频特性 曲线时，只需在所要求的频段范围内按照一定的频率差，给定系统不同频率的正弦信号， 测定各频率点相应的幅值放大倍数，并将各离散点相连就得到了该系统的幅频特性曲 线。相类似的，测定各频率点对应的相位差，并将各离散点相连就得到了该系统的相频 特性曲线。其测量原理，如图2 2 所示 图2 2 扫频法测量频率响应原理图 扫频测量法的测量过程简单，速度快，也不会产生测漏现象，还能边测量边调试， 大大提高了调试工作效率。扫频法反映的是被测网络的动态特性，测量结果与被测网络 实际工作情况基本吻合，这一点对于某些网络的测量尤为重要，如滤波器的动态滤波特 性的测量等。扫频法的不足之外是测量的准确度比点频法低。 2 1 3 两种测试方法的比较 介绍完频率特性的两种测量方法后，对这两种方法进行比对，以便我们设计系统是 选择最优，最便利得方案： 冲激响应法测量过程需要脉冲信号的质量教高，还需要重复激励，且由于宽带网络 的输出响应信号频带宽，根据采样定理可知，要采用高速a d 进行数据采集，这就使 7 哈尔滨工程人学硕l ：号：位论文 得此方法只适用于低频领域，并且需要一定的数据采集速度以及数字信号处理计算能 力。这种方法要求高速的采样速率和大量的采样点数，计算量较大，且信噪比较低，因 此测量精度一般不会很高。 扫频测试法，适用于很宽的频段，需要制作一个可扫频或频率可步进的并符合相应 指标要求的正弦信号源，需要设计幅相测量系统，还有显示界面等，硬件工作较大，数 字计算的工作量较小。扫频测量法的测量过程简单，速度快，也不会产生测漏现象，还 能边测量边调试，大大提高了调试工作效率。扫频法反映的是被测网络的动态特性，测 量结果与被测网络实际工作情况基本吻合，这一点对于某些网络的测量尤为重要，如滤 波器的动态滤波特性的测量等。 本文采用扫频法。 2 2 阻抗的测量方法 阻抗的测量方法多种多样，但最常用的基本方法有：电桥法和( 线性) 网络分析法。 2 2 1电桥法测量阻抗 用电桥法进行阻抗测量是一种常用的方法。其原理图如图2 3 所示，当电桥平衡 电流流过检测器( g ) 并显示为零时，电桥两侧实现对称，被测阻抗磊值可以与其它 电桥元件的关系获得，即z p z ，z 3 乙。电桥电路可适用于电感、电容和电阻构成的各 类型阻抗的测量。电桥法工作频率很宽，能在很大程度上消除或消弱系统误差的影响， 精度很高。但是这方法同样有着极大的缺点，例如，电路中的四个桥臂，要想求得未 知量，必须己知其它三个桥臂的量，才可求得，所以这种测量方法操作起来很费时、 很繁琐【8 】，且测量的范围也有限制，所以极为不便。 图2 3 电桥法阻抗测量原理图 2 2 2 ( 线性) 网络分析法测量阻抗 ( 线性) 网络分析法是通过测量激励和响应的方法间接获取阻抗值。网络分析法 测量阻抗的一种方法如图2 4 所示，其中z 为纯电阻且已知阻值，若想测得未知器件 阻抗勿，则只需测定t 点的信号幅值，再根据已知输入信号的频率就可以计算出位置 器件的阻抗。其放大倍数彳的计算公式为 r 第2 草频率特性的测量方法 7 彳2 磊 ( 2 1 ) z 。? + z 、。 其中z _ 尺，z f 尺一l ( ，c ”杉h ，r 为已知纯电阻，c o 为已知频率，戤、c ，y 、厶分别 为位置电阻、电容、电感值。根据不同的频率范围可以等效出高频、中频、低频不同的 阻抗等效模型。 图2 4 网络分析法阻抗测量原理图 此方法由于电路结构简单所以易于实现，且器件已知纯电阻的阻值不会因为输入 信号频率的不同而改变，系统稳定度较好。但此方法对测试系统的输入阻抗有严格要 求。由于测试系统与已知纯电阻构成并联关系，这就使得作为参考的已知阻值为r 的 纯电阻与系统并联后的等效阻抗作为计算公式中的z ，且系统的输入阻抗为变量会随 输入信号的频率不同而改变，这就使得高精度的测量难以实现，而且通过上述推导公 式可知对于未知器件的阻抗勿中的毗、c i 、k 求解较为复杂，所以此方法只适用与 低精度的简单阻抗测量。 网络分析法测量阻抗的另一种方法如图2 5 ，把被测阻件接一个运算放大器，形成 一个电压并联负反馈结构。被测电阻r x = u x ，。，流经采样电阻r 。的电流由运放虚断 特性知等于，且，= u s 砖因此，r = u x i x = r s u x ，这样就把电阻阻值 的测量转换成为两电压之比的测量，降低了对电压源u 。的准确度和稳定度的要求，测 量结果的精确度只与参比电阻的精度有关【9 】。 正弦交流信号u x ( 在理想状态下) 作为激励信号源时，可以不用考虑运算放大器 等电路所引起的幅值比和相位差的变化，设激励信号源u x = a s i n w t ，响应信号 u s = - & 凡= 一( a a x ) s i n ( a ) t + 伊夕咫，其中，彳x 为被测阻抗的幅值，妒为被测阻抗的相位。 只要将与魄做比较，测得到的幅值及与魄的相位差就可以得到待测阻抗的信 息，测量结果的精度取决于参比电阻的精度和运放的性能。 9 哈尔滨i ：程火学硕士学位论文 图2 5 二端口网络分析阻抗测量的原理图 2 2 3 其他的阻抗测量法 阻抗的测量多种多样，其他的测量方法还有：谐振法、伏安法、r f 伏安法、自动 平衡电桥法等。在实际测量中究竟使用哪种方法，应根据具体情况和要求来选择。例如， 在直流或低频时使用的元件，用伏安法最简单，但准确度稍差；在音频范围内时，选用 电桥法准确度较高；在高频范围内通常利用谐振法，这种方法准确度并不高，但比较接 近元件的实际使用条件，故测量值比较符合实际情况。随着电子技术的发展，数字化、 智能化的r l c 测试仪不断推出，给阻抗测量带来了快捷和方便。 2 3 本章小结 本章从频率特性的理论出发分析了频率特性的意义，使我们明确了频率特性综合测 试系统所要实现的两大功能，即频率响应测量与阻抗分析。在此基础上又分别叙述了几 种常用的频率响应测量方法和阻抗测量方法。不仅从理论层次对各方法进行分析，也从 实际应用的角度对各方法的可行性进行了论证。在整个叙述过程中还通过对各方法的比 较，总结了各方法优缺点，并从中选择出了两大功能的最佳实现方案。本章所述理论知 识是本设计的理论基础，对于系统可行性的论述决定了系统设计的成败，对于整个设计 具有重要意义。 1 0 第3 章整体方案论证 第3 章整体方案论证 3 1系统整体方案论证 通过第2 章的分析可知，运用扫频法测量系统的频率响应时，我们可以直接测量各 不同频率信号作用下，系统的幅度与相位变化，从而得到系统的幅频特性曲线与相频特 性曲线。在对阻抗测量方法的比较分析中，我们也不难发现采用( 线性) 网络分析法实 现的阻抗测量有其自身特点，为得到r l c 器件在某一频率信号作用下的阻抗分析，需 要提供该频率的单频信号作用于未知器件，通过信号的幅值与相位变化，结合信号频率 所在频段，得到相应的阻抗模型。从中我们不难发现二者的相似之处，而频率特性综合 测试系统要实现的主要功能是测量二端口网络的频率响应以及在不同频率信号作用下 r l c 元件的阻抗分析。这就使得我们考虑到要去寻求一种方式，只在同一套硬件电路 上进行部分模块的改动，就能实现所需的两大功能。 3 1 1二端口网络的频响特性测试设计方案 测试二端口网络的频响特性，通常让特定频率的标准正弦信号通过被测二端口网 络，通过记录和比较输入、输出信号的幅度、相位来确定对应频率下输入、输出信号的 幅度比和相位差，再通过扫频信号源改变输入信号的频率，利用扫频法得到所要测量范 围内各频率信号作用下的相应信息，画出系统的幅频特性曲线与相频特性曲线。通过上 述测量原理可以得到相应的硬件电路设计方案。根据用户的需要，通过人机接口电路的 控制单元控制单片机，由单片机控制扫频信号源产生所需某一频率下幅值恒定的标准正 弦波，输入到被测电路。通过检测电路测量得到该频率下被测电路输入、输出信号的幅 值比和相位差，单片机对检测电路得到相关数据进行采集处理后，向扫频信号源发送指 令改变其输出信号的频率，然后重复上述过程得到另一频率下的相关数据。当所需测量 的所有频率点数据全部采集结束后，单片机将所有信息进行综合处理后得到被测电路的 频率响应，输出到人机接口电路的显示单元显示测量结果。其系统结构框图如图3 1 所 示。 哈尔滨一r 程火学硕十学位沦文 图3 1 二端口网络频响特性测试系统结构框图 3 1 2 阻抗测量辅助电路设计方案 若想利用测量二端口网络频响特性的硬件电路对r l c 元件进行阻抗测量，我们就 要构建一个阻抗测量辅助电路。由于已有电路是对二端口网络进行，若想利用其进行阻 抗测量，要求辅助电路必须是二端口结构；同时，为减少所需处理的数据量，参数已知 的元件与被测元件所形成的函数关系式尽量简单；从减d , n 量误差的角度出发，要求辅 助电路结构尽量简单，且参数已知的元件在输入信号、温度等条件改变时，其参数的改 变量要求尽量小。综合上述几方面要求，我们可以采取2 2 2 节中介绍的利用运放形成 负反馈测量阻抗的方法中所用的电路作为阻抗测量的辅助电路。阻抗测量辅助电路原理 如图3 2 所示，其中r ，为被测元件，r 。为已知元件。 如 l 陟i i l 1只旷 l 图3 2 阻抗测量辅助电路原理图 3 1 3 总体设计方案 由于已经得到了上述的阻抗测量辅助电路，只要将被测元件放入阻抗测量辅助电路 1 2 第3 章整体方案论证 中便可以利用一个可控的丌关进行切档，实现测量二端口网络的频响特性与测量元件的 阻抗的结合。通过已有的二端口网络频响特性测试的系统结构，很容易得到系统总体结 构框图如图3 3 所示。 图3 3 系统总体结构框图 根据用户的不同需求，通过人机接口电路的控制单元选择所要测量的是二端口网络 的频率响应还是未知r l c 器件的阻抗，再由单片机控制选择开关进行切档。当测量二 端口网络频响特性时，整个测量过程已在前面介绍，这里不再赘述。而当测量未知元件 的阻抗时，用户通过人机接口电路的控制单元选择在哪一频率下对未知器件进行阻抗测 量，此时单片机控制扫频信号源发出幅值恒定的该频率的标准正弦波，通过检测电路测 量得到阻抗测量辅助电路的输入、输出信号的幅度比与相位差，再根据用户所选的频率， 通过对幅度比和相位差等信息的处理得到相应的阻抗分析模型。至此，可实现测量二端 口网络的频率响应以及测量在不同频率信号作用下r l c 元件阻抗两大功能的频率特性 综合测试系统的总体结构设计完成。 3 2 处理器的选用 处理器作为一个系统的核心器件，主要要完成的功能是对外围器件进行控制，同时 又要拥有数据处理功能，将采集到的数据处理后有效的输出。这就要求处理器具有较好 的控制能力和数据处理能力，基于成本等因素考虑，单片机的控制能力和数据处理能力 足以满足系统的要求。 单片机就是一台微型电脑，麻雀虽小却五脏俱全。单片机将微型电脑的所有基本部 分都集成在一片硅片上。构成单片机的基本要素有：c p u 核、制度存储( r o m ) 、随机 存储器( r a m ) 、片上外设、总线。单片机几乎无所不能，所谓的“微电脑控制”场合的 1 3 哈尔滨一i ：程大学硕士学位论文 核心就是单片机【1 0 。它涵盖工业生产、同常生活、军事设备、科研仪表仪器等所有智能 化应用场合。单片机没有丌发和编程的能力，只能通过丌发工具来实现。它的丌发工具 有：将编译出来的目标代码固化到单片机的r o m 内的编程器；作用与编程器一样但可 以在线下载的下载线；对单片机的程序进行单步调置、设置断点等，便于查找程序种错 误的仿真器。下面只针对应用最广泛的5 1 系列单片机和性价比较高的a v r 系列单片机 进行简要介绍。 3 2 15 1 系列单片机 5 1 系列单片机，是由i n t e l 公司最早推出的，是国内应用最广的单片机；i n t e l 公司 在2 0 世纪8 0 年代中期将8 0 5 1 内核使用权以专利互换或出售形式转给世界许多著名的 i c 制造厂商，如p h i l i p s 、s i e m e n s 、a t m e l 等，这些公司在保持与8 0 51 单片机兼容的基 础上，改善了8 0 5 1 许多特性，如提高速度、提高集成度、放宽电源电压的动态范围等 1 。虽然5 1 单片机具有价格低廉，使用简单等特点，但由于其累加器本身的瓶颈，使其 在速度上相对较慢。另外一般5 1 单片机片上没有s p i 总线，而在本设计中有用到的单 片机外围器件如：a d 9 8 3 3 和s p l c 5 0 1 都是s p i 接口的器件。所以虽然5 1 系列单片机 通用且价格低廉，也并没有成为本设计选择的主控器件。 3 2 2a v r 系列单片机 a v r 是a t m e l 公司于1 9 9 7 年由a 先生和v 先生共同研发的采用h a r d w a r e 结构 的r ! s c 单片机，a v r 单片机充分了吸取p i c 及m c s 5 1 系列单片机的优点，使得片上 系统很丰富，所以具有较高的性价比【1 2 】。 a v r 单片机作为高性价比的8 位单片机其主要特性介绍如下： ( 1 ) a v r 单片机运算速度快，可大大提升系统性能； ( 2 ) a v r 单片机内嵌高质量的f l a s h 程序存储器，擦写方便【1 3 】，还可以根据用户的 要求挑选不同的f l a s h 容量或型号不同的单片机进行系统开发： ( 3 ) a v r 单片机支持多种软件编译环境，如常用的i c c a v r 和g c c a v r 等，为编 写软件提供了便利条件； ( 4 ) 支持i s p 和i a p 下载，便于程序下载到单片机。同时单片机支持j t a g 仿真， 便于软件调试； ( 5 ) a v r 单片机的i oe l 资源灵活、功能强大、可充分利用【1 4 】，i o 可以设为输入、 输出，做输入时i o 线可带上拉电阻，做输出可输出很强的高电平、低电平； ( 6 ) a v r 单片机拥有1 0 位片上a d ，不仅节省了系统开发的成本，也为使用模拟信 号的采集提供了极大的方便，既省去的外接电路的复杂又省去了与外接a d 通信的繁 琐； 1 4 第3 草整体方案论证 ( 7 ) a v r 单片机支持硬件s p i 通信，这就为单片机与a d 9 8 3 3 等s p i 通信的器件问 的通信提供了方便。不仅大大加快了通信速度，也为通信的稳定提供了保障； ( 8 ) a v r 单片机具有多种省电休眠模式，不怎么被干扰，相对其他8 位机可减少抗 干扰部分的软件设计，减少对硬件的使用； ( 9 ) 低功耗、宽电压1 8 v - 5 5 v ，最低全速运行功耗小于3 0 0 u a 。 通过上面的介绍我们可以看出a v r 系列单片机的强大功能。从其各项特点中我们 不难发现其更适合于本系统的开发。使用a v r 单片机可以大大节约丌发成本，提升系 统性能，在系统丌发过程中无论是程序的编写还是下载调试都非常方便。其片上自带 a d 可以简化电路。与目前国内广泛使用的5 1 系列单片机相比较，综合价格以及i o 端口个数等方面因素考虑，最终选择了a v r 系列单片机中的a t m e g a l 6 作为本设计的 处理器。a t m e g a l 6 的简介： ( 1 ) 高速( 1 6 h z ) 、r i s c a v r 内核； ( 2 ) 1 k bs r a m ，1 6 k bf l a s hr o m ： ( 3 ) 5 1 2 字节e e p r o m ，方便数据存储； ( 4 ) 4 个8 位并行i o 口，驱动能力强； ( 5 ) 具有g t a g 仿真接口与i s p 下载接口； ( 6 ) 低功耗、宽电压( 2 7 v 5 5 v ) ； ( 7 ) 丰富的片上外设：3 个外部中断，3 个定时器，u s a i 玎，s p i ，i i c ，a d c ： ( 8 ) 片内上电复位电路； ( 9 ) 片内上r c 振荡器，可以省去外部的晶振。 3 3本章小结 本章在前一章的理论基础上，对整个系统所要实现的功能从应用层次进行重新分 析，发现了其中的共性特点，再利用其共性特点将频率响应测量与阻抗分析两大功能有 机的结合起来。使系统利用同一套电路，只修改其中的部分模块就可以实现两大功能。 这很大程度上简化了电路结构，使整个系统的设计更加简单。在本章的后半部分，根据 系统的需要，对5 1 系列单片机和a v r 系列单片机进行对比，最终为系统选择了 a t m a g e l 6 作为其处理器，作为软硬件设计的核心单元。 哈尔滨j ：程人学硕十学位论文 第4 章阻抗模型的建立 4 1阻抗测量与应用概述 阻抗测量一般是电阻、电容、电感及相关的p 值、损耗角、电导等参数的测量。 其中，电阻表示电路中能量的损耗，电容和电感则分别表示电场能量和磁场能量的存储。 在电子技术中，随着频率及电路形式的不同，可分为集总参数电路和分布参数电路。核 心内容之一就是讨论频率在数百兆赫以下的集总参数电路元件( 如电感线圈、电容器、 电阻器等) 的阻抗模型，以及基于单片机技术实现阻抗测量的基本技术。 4 1 1 阻抗定义及表示 阻抗表示对流经器件或电路电流的总抵抗能力，是电子元器件和电路系统的基本工 作参数。对于一个线性网络，阻抗定义为加在端口上的电压和流进端口的同频电流之比。 在直流条件下，线性二端器件的电阻，由欧姆定律来定义。在交流情况下，电压和电流 的比值是复数。阻抗z 可以表示为： ，? z = = r + 弘= lz 矽妒= i z i ( c o s 伊+ j s i n ( p ) ( 4 1 ) 其中：式中，z 为复数阻抗；u 为复数电压：j 为复数电流；r 为复数阻抗的实部 ( 即电阻分量) ；x 为复数阻抗的虚部( 即电抗) ；z 为复数阻抗的绝对值( 或模值) ， i z i = 颤2 + x 2 ；驴为复数阻抗的相角( 即电压( 7 与电流，之间的相位差) o = a r c t a n ( x r ) 2 8 】。 在集总参数系统中，电阻、电容以及电感是根据它们发生的电磁现象从理论上定义 的，在一般的工程应用中，要严格分析这些元件内的电磁现象是十分困难的，因此为了 简便往往把这些参数看作常量。实际上，阻抗元件决不会以纯电阻、纯电容或纯电感特 性出现，而是这些阻抗成分的组合。例如，过大的电流使阻抗元件表现出非线性；不同 的温度和湿度使阻抗表现为不同的值；不同的工作