基于AD9851的便携式数字扫频仪器的设计(硬件设计)毕业论文.doc

基于基于 AD9851 的便携式数字扫频仪器的设计的便携式数字扫频仪器的设计 硬件设计硬件设计 Design of portable digital based on AD9851 sweep frequency instrument hardware design I 摘摘 要要 扫频仪是测量网络传输特性的仪器 在现代电子测量中占据着重要的地位 本文着 重分析了扫频仪的工作原理 提出了一种基于 DDS 技术的扫频仪的设计方案 在对市场 上扫频仪的研究现状和对系统特性进行分析以后 确定了本设计的性能指标和总体方案 此设计主要有扫频信号发生器电路 增益控制电路 自动电平控制电路 检波头输出电 路 单片机 ATmega128 以及电源模块电路等模块组成 其中扫频信号发生器电路采用 DDS 纯数字化方法 具有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还 具有可编程控制等优点 再加上增益控制电路 自动电平控制电路等 使扫频仪能适应 各种测试要求 利用微处理器 ATmega128 作为控制及处理单元 使用集成化的幅度和相 位检测芯片 配有 LCD192X64 液晶显示 使这种扫频仪设计简单 调试方便 性能稳定 可靠 系统界面友好 能够在全频范围内自动步进测量 可预置测量范围及步进频率值 可以更加细致的观察频率特性图 给使用者带来方便 关键词关键词 扫频仪扫频仪 DDS 技术技术 增益控制增益控制 II Abstract Sweep generator is an instrument for measuring transmission characteristics of the network In this paper the working principle of sweep generator were analysed emphatically then a design scheme based on DDS technology were put forward After analysing the research status of the sweep generators in the market and the system characteristics we make sure the performance index and general scheme In this design the sweep generator consists of several parts they respectively are swept signal generator circuit gain control circuit automatic voltage control circuit detecting head output circuit atmega128 microcontroller power module circuit In which swept signal generator adopt the pure digital technique which has high speed frequency conversion time extremely high frequency resolution lower phase noise and the outstanding advantage of programe control super add the gain control circuit and Automatic voltage control circuit the sweep generator can adapt to various test requirements Embedded microprocessor AD9851 we re used as the control and processing and the compositive magnitude and phase detecting circuit LCD 192X64make the design of sweep generator more simple the debugging more convenient and the performance more stable and reliable In addition this sweep generator can make stepping measurementautomatically in the whole frequency range We can preset measuring range and stepping frequency so the detailed frequency characterist ic curves can be seen clearly This function brings users much convenience Key words sweep generator DDS techonology gain control 目 录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1 1 扫频仪简介 1 1 2 扫频仪的分类及其简介 2 第二章 便携式扫频仪器方案的选择 7 2 1 扫频仪基本知识 7 2 1 1 扫频仪的功能与用途 7 2 1 2 基本测量原理 7 2 2 系统的主要性能指标 8 2 3 总体方案设计与论证 9 2 3 1 方案一介绍 9 2 3 2 方案二介绍 9 2 4 方案比较 10 2 5 总体方案确立 11 第三章 单元电路设计与分析 12 3 1 单片机主控模块的设计与分析 12 3 1 1ATmega 单片机简介 12 3 1 2 单片机主控电路 16 3 2 信号发生模块电路设计与分析 17 3 2 1 AD9851 芯片简介 17 3 2 2 信号发生模块电路 18 3 3ALC 宽带放大器的设计与分析 19 3 4 电源电路模块的设计与分 20 3 5 LCD 显示模块电路 21 3 5 1 LCD 芯片简介 21 3 5 2 LCD192X64 显示电路 23 3 6 检波电路 24 3 6 1 检波电路的基本介绍 24 3 6 2 检波电路原理 27 第四章 软件部分简介 28 4 1 主程序模块 28 4 2 AD9851 电路驱动程序 29 总 结 30 参考文献 31 致 谢 32 南昌工程学院本科毕业设计 论文 1 第一章 绪论 1 1 扫频仪简介扫频仪简介 在电子测量中 经常遇到对网络的阻抗特性和传输特性进行测量的问题 其中传输 特性包括增益和衰减特性 幅频特性 相频特性等 用来测量前述特性的仪器我们称为 频率特性测试仪 简称扫频仪 它为被测网络的调整 校准及故障的排除提供了极大的 方便 扫频仪一般由扫描锯齿波发生器 扫频信号发生器 宽带放大器 频标信号发生器 X 轴放大 Y 轴放大 显示设备 面板键盘以及多路输出电源等部分组成 其基本工作过 程是通过电源变压器将 50Hz 市电降压后送入扫描锯齿波发生器 就形成了锯齿波 这个 锯齿波一方面控制扫频信号发生器 对扫频信号进行调频 另一方面该锯齿波送到 X 轴 偏转放大器放大后 去控制示波器 X 轴偏转板 使电子束产生水平扫描 由于这个锯齿 波同时控制电子束水平扫描和扫频振荡器 因此电子束在示波管荧光屏上的每一水平位 置对应于某一瞬时频率 从左向右频率逐渐增高 并且是线性变化的 扫频信号发生器 产生的扫频信号送到宽带放大器放大后 送入衰减器 然后输出扫频信号到被测电路 为了消除扫频信号的寄生调幅 宽带放大器增设了自动增益控制器 AGC 宽带放大器 输出的扫频信号送到频标混频器 在频标混频器中与 1MHz 和 10MHz 或 50MHz 晶振信 号或外频标信号进行混频 产生的频标信号送入 Y 轴偏转放大器放大后输出给示波管的 Y 轴偏转板 扫频信号通过被测电路后 经过 Y 轴电位器 衰减器 放大器放大后送到 示波管的 Y 轴偏转板 得被测电路的幅频特性曲线 1 2 扫频仪的分类及其简介扫频仪的分类及其简介 信号扫描频率发生器 也被定为一个测试信号扫频发生器 功能扫频发生器 乐音 扫频发生器 任意波形扫描频率发生器 或频率扫频发生器 生成重复的电子信号 在 任在模拟或数字域 的电子装置 它们通常用于设计 测试 故障排除和修复电子电声 器件 虽然他们往往有艺术用途 有许多不同的类型的信号扫描频率发生器 带有不同的目的和应用程序 且在不同 的费用水平 在一般情况下 没有任何的移动设备是适合用于所有可能的应用 传统上 信号扫频发生器已被嵌入的硬件单元 但由于多媒体 PC 的年龄 灵活的 可编程的软件 乐音扫频发生器也可用 1 功能扫频发生器 第一章 绪论 2 一个功能扫描频率发生器也是一个装置 它生产简单的重复波形 这种装置包含一 个电子振荡器 一个电路 该电路能够创建一个重复波形 现代的设备可以使用数字 信号处理的合成波形 后跟一个数字到模拟的转换器 或 DAC 以产生一个模拟输出 最常见的波形为正弦波 脉冲 方波和三角波振荡器锯齿波 通常可作为任意波形扫描 频率发生器 AWG 如果以上的音频频率范围 20 千赫 的振荡器的工作 扫频发生 器通常包括某种形式的调制功能 诸如振幅调制 AM 频率调制 FM 或相位调制 PM 以及一个第二振荡器 提供了一个音频的频率调制波形 功能扫描频率的发生器中通常使用简单的电子维修和设计的 它们被用来刺激被测 电路的 然后 使用的设备 如示波器测量电路的输出 功能扫描频率发生器不同的输 出功能 频率范围 频率精度和稳定性 和其他一些参数的数量 2 任意波形扫描频率发生器 任意波形扫描频率发生器 或 AWG 的 是复杂的信号扫描频率发生器 允许用户在 公布的频率范围限制内生成任意波形 频率范围 精度和输出 不像函数扫描频率发生 器 它被限制为一组简单的波形 AWG 允许用户在各种不同的方式指定的源波形 AWG 的是比功能扫描频率发生器一般都比较昂贵 而且往往更多的可用带宽非常有限 因此 他们通常只限于较高端的设计和测试应用程序 3 音频扫频发生器和音频扫频频率发生器 乐音扫频发生器是一种典型的用于在音频和声学优化的信号扫描频率发生器 乐音 扫频发生器通常包括以上的音频频率范围 20 Hz 至 20 kHz 的正弦波 精密的音调扫频 发生器也将包括扫描扫描频率发生器 多音扫频发生器 该输多个的色调的同时 和用 于检查互调失真和其它非线性效应 和猝发音 用于测量响应瞬变 音扫频发生器通 常用于一并声级计 当测量一个房间或声学的声音重放系统 和 或与示波器或专门的音 频分析仪 许多音扫描频率发生器在数字域进行操作 在各种数字音频格式 如 AES 3 或 SPDIF 输出 这种扫描频率发生器可以包括特殊的信号 刺激各种数码效果和存在的问题 如 裁剪 抖动 误码 他们还经常提供的方法来处理相关的元数据与数字音频格式 南昌工程学院本科毕业设计 论文 7 第二章 便携式扫频仪器方案的选择 2 1 扫频仪基本知识扫频仪基本知识 2 1 1 扫频仪的功能与用途 某种幅频特性是各种控制系统在频域中的建立起来的一种数学模型 它准确的描述 了系统内部的内在特性 而且与外界因素无关 当一个系统结构的参数给定了 那么系 统的频率特性也被完全确定 在信号与系统的学习中我们知道 在不知到系统的频谱特 性时 我们将其看作是一个 黑箱子 然后通过输入 输出的传递函数的关系来描述系 统的内在特性 这在电路系统中也采用了相同的方法 即使在相当多的情况下 我们即 便无法知道电路的详确切结构 或无法获得电路中各个组件的准确参数 只能将所要分 析的电路系统作为 黑箱 来处理 我们通过测量网络的输入和输出经计算得到网络的 幅频特性 便携式数字扫频仪就是将 黑箱 的幅频特性曲线直观地反映在显示器上的 的一种网络分析仪器 2 1 2 基本测量原理 测量幅频特性有许多种方法 最基本的有两种方法 动态测量法和稳态测量法 1 动态测量法 动态测量法主要是指冲激响应测量法 它利用被测网络的冲激响应来推算出网络的 频率特性 当我们将一个特定的输入信号加在某个被测网络是 那么由于网络具有特定 的幅频特性就会产生一个特定的输出 从而推算出被测网络的幅频特性 2 稳态测量法 稳态测量法的被测系统为线性非时变网络 如图 2 1 所示 第二章 便携式扫频仪器方案的选择 8 图 2 1稳态测量法原理 图 2 1 是一个最简单的稳态测量网络 图中单调谐电路就是一个线性非时变网络 其测量过程是 先将信号源 Ui t sin t 加到被测网络的输入端 网络的稳态响应为 上图 a 所示 Uo t H j sin t w 这样对于每一个特定的 通过被测 网络后得到一个稳态响应 上图 b 所示 H j 响应信号与输入信号的幅值比即为该 频率的幅频响应值 而两者的相位差即为相频响应值 可以采用频率逐点步进或频率连 续变化的方法 完成整个频率特性的测量 因此 这种方法也被称为扫频法 2 22 2 系统的主要性能指标系统的主要性能指标 本设计是基于 DDS 技术的数字扫频仪 扫频信号范围为 0Hz 70kHz 扫频信号频 率分辨率不低于 1Hz 输出阻抗为 50 扫频步长可以在 1Hz 70kHz 范围内以整数 为单位自行调整 所实现的主要功能和测量精度如下 a 幅度测量精度小于 0 1V b 能在全频范围内自动步进测量 可预置测量范围及步进频率值 c 能直观的显示幅频特性曲线 并能直接读出频率值及频率所对应的幅度值 d 能存储被测网络的测量结果 e 测量结果在 LCD 上显示 f 输出扫频信号电压分为两个通道 通道 1 为 0 1Vpp 通道 2 为 0 10Vpp 频率标记信号分两档 频标 1 为步进频率的 1 倍 频标 2 为步进频率的 56 倍 g 扫频信号的输出衰减器衰减范围 0 72dB 南昌工程学院本科毕业设计 论文 9 2 3 总体方案设计与论证总体方案设计与论证 通过对便携式数字扫频仪概念的理解和对技术指标的分析可知 扫频仪的设计关键 在于扫频信号源 检波器 单片机控制电路的设计 本文提出了两个设计方案 2 3 1 方案一介绍 采用动态测量法 即冲击响应测量的方法 如图下所示 图中 e t 和 r t 分别是系 统时域中的激励函数和零状态响应函数 假设 e t 和 r t 的傅立叶变换分别是 E j 和 R j 则系统的频率特性 H j 可用式 2 1 计算 H j R j E j 2 1 图 2 2冲击响应测量原理图 当输入激励函数 e t 单位冲激函数 t 时 则输出为系统的单位冲激响 h t 由于 1 式中的 E j 恒等于 1 于是就有公式 2 2 2 2 计算得到的 H j 为复数 包含了幅频特性和相频特性的完整信息 本方案可以采用目前的 DSP 技术实现 只要产生一个冲激脉冲 t 并对输出响应 进行数据采集 对输出信号进行傅里叶变换就能得到被测系统的频率特性 2 3 2 方案二介绍 采用稳态测量法 即扫频法 如图 2 3 所示 第二章 便携式扫频仪器方案的选择 10 微 控 制 器 C8051 DDS 扫频源 宽带 放大器 程控衰减 器 ADC 转换器 键 盘 液晶 显示器 被测 网络 有效值 检波器 图 2 3扫频法测量硬件框图 扫频法是运用响应信号与输入信号的幅值比 即该频率的幅频响应值 来反映网络的 幅频特性 本方案的硬件设计框图如图 2 3 由微控制器 ATmega128 控制 DDS 扫频源产生低频扫 频信号 经宽带放大器将信号进行放大 再由自动电平控制控制扫频信号的幅度值 最 终产生幅度可控且稳定的扫频信号 由于被测网络是线性非时变网络 所以扫频信号经 过被测网络后 在被测网络的输出端得到的是调幅波 此调幅波经过有效值检波 将载 波滤出 最后进入 ADC 转换器的信号就是反映被测网络幅频特性的信号 经 ADC 进行采 样处理 最后由微控制器将处理的采样值送到液晶显示器显示 这样被测网络的幅频特 性就直观地显示出来了 2 4 方案比较方案比较 方案一 采用动态测量的方法 这种方法的好处是不需额外添加扫频信号源 也不必 添加幅度检波电路和相位差检测电路 因而硬件工作量小 测量时间比较短 但这种方 法一般只适合用于低频系统的测量中 例如音频的分析 电声系统的分析 振动系统的 南昌工程学院本科毕业设计 论文 11 分析等 但在实际制作中需要制作一个质量相当高的冲激激励脉冲信号源 或者频谱和 统计特性满足测量要求的任意波形或序列信号 还需要一定的数据采集速度以及数字信 号处理计算能力 这些都不易实现 方案二 稳态测量法适用于很宽的频段 需要额外添加一个频率可步进或可扫频的并 符合相应指标要求的信号源 需要幅值检波器 所需的仪器还包括扫频 检测和显示的 同步控制模块 整个系统的硬件规模较方案一庞大多 数字计算的软件工作量则相对较 小 在被测量系统可以接受的安全输入幅值范围内 激励信号的全部能量都可以集中于 某一频率上 被测网络对该频率激励的稳态输出信号分量的信噪比高 有利于提高测量 精度 缺点是每次测量的是网络的稳态响应 需要等待网络达到稳态 从而测量时间上 比较长 2 5 总体方案确立总体方案确立 综合考虑上面两种方法的优缺点 也考虑到我们所学的知识以及各方法可以实现的可 能性 我们决定选用总体方案二 稳态测量法 相对于质量要求很高的冲激激励脉 冲信号源来说 扫频信号源信号更容易实现 第三章 单元电路设计与分析 12 第三章 单元电路设计与分析 本方案首先是由微控制器 ATmega128 控制 DDS 扫频源 AD9851 产生特定的低频扫频信 号 然后经过幅值放大电路 自动电平控制电路加在被测网络的输入端 检波电路则将 被测网络的输出输入给 ADC 转换器 再送给微处理器 ATmega128 微处理器经过运算得到 被测网络的幅频特性曲线并在 LCD192X64 上面显示出来 由于本系统采用的芯片较多 各芯片的额定电压不一 因此加入了复杂的电源电路 3 1 单片机主控模块的设计与分析单片机主控模块的设计与分析 3 1 1ATmega 单片机简介 ATmega128是ATMEL 公司的 8 位系列单片机的最高配置的一款单片机 稳定性极高 应用 极其广泛 1 主要特性的介绍 a 高性能 低功耗的 AVR 8 位微处理器 b 先进的 RISC 结构 133 条指令 大多数可以在一个时钟周期内完成 32 x 8 通用工作寄存器 外设控制寄存器 全静态工作 工作于 16 MHz 时性能高达 16 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 c 非易失性的程序和数据存储器 128K 字节的系统内可编程 Flash d 寿命 10 000 次写 擦除周期 具有独立锁定位 可选择的启动代码区 e 通过片内的启动程序实现系统内编程 f 读 修改 写操作 4K 字节的 EEPROM 4K 字节的内部 SRAM 多达 64K 字节的优化的外部存储器空间 可以对锁定位进行编程以实现软件加密 南昌工程学院本科毕业设计 论文 13 可以通过 ISP 实现系统内编程 g JTAG 接口 与 IEEE 1149 1 标准兼容 遵循 JTAG 标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试 通过 JTAG 接口实现对 Flash EEPROM 熔丝位和锁定位的编程 2 外设特点 两个具有独立的预分频器和比较器功能的 8 位定时器 计数器 两个具有预分频器 比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 计数器 具有独立预分频器的实时时钟计数器 两路 8 位 PWM 6 路分辨率可编程 1 到 16 位 的 PWM 输出比较调制器 8 路 10 位 ADC 8 个单端通道 7 个差分通道 2 个具有可编程增益 1x 10 x 或 200 x 的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行 USART 可工作于主机 从机模式的 SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 3 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的 RC 振荡器 片内 片外中断源 6 种睡眠模式 空闲模式 ADC 噪声抑制模式 省电模式 掉电模式 Standby 模式以及 扩展的 Standby 模式 可以通过软件进行选择的时钟频率 通过熔丝位可以选择 ATmega103 兼容模式 第三章 单元电路设计与分析 14 全局上拉禁止功能 4 I O 和封装 53 个可编程 I O 口线 64 引脚 TQFP 与 64 引脚 MLF 封装 工作电压 2 7 5 5V ATmega128L 4 5 5 5V ATmega128 速度等级 0 8 MHz ATmega128L 0 16 MHz ATmega128 ATmega128TQFP 封装现主要有这些型号 ATmega128 16AU ATmega128 16AI 下面对 ATmega128 的型号标识进行解析 1 型号紧跟的字母 表示电压工作范围 带 L 2 7 5 5V 若缺省 不带 L 4 5 5 5V 例 ATmega128 16AU 不带 L 表示工作电压为 4 5 5 5V 2 后缀的数字部分 表示支持的最高系统时钟 例 ATmega128 16AU 16 表示 可支持最高为 16MHZ 的系统时钟 3 后缀第一 第二 个字母 表示封装 P DIP 封装 A TQFP 封装 M MLF 封装 例 ATmega128 16AU A 表示 TQFP 封装 4 后缀最后一个字母 表示应用级别 C 商业级 I 工业级 有铅 U 工业级 无铅 例 ATmega128 16AU U 表示无铅工业级 ATmega128 16AI I 表示有铅 工业级 5 ATmega128 各引脚功能介绍 Vcc 数字电路的电源 GND 地 a 端口 A PA7 PAO 端口 A 为双向 I O 口并具有可编程的内部上拉电阻 其输出 缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时 若内部上拉电阻使 能 则端口被外部电路拉低时将输出电流 复位发生时端口 A 为三态 端口 A 也可以用作 其他不同的特殊功能 b 端口 B PB7 PB0 端口 B 为 8 位双向 I O 口 并具有可编程的内部上拉电阻 其 南昌工程学院本科毕业设计 论文 15 输出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时 若内部上拉电 阻使能 则端口被外部电路拉低时将输出电流 复位发生时端口 B 为三态 端口 8 也可以 用作其他不同 c 端口 C PC7 PC0 端口 C 为 8 位双向 I 0 口 并具有可编程的内部上拉电阻 其 输出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时 若内部上拉电 阻使能 则端口被外部电路拉低时将输出电流 复位发生时端口 C 为三态 端口 C 也可以 用作其他不同的特殊功能 在 ATmegal 03 兼容模式下 端口 C 只能作为输出 而且在复位 发生时不是三态 d 端口 D PD7 PD0 端口 D 为 8 位双向 I 0 口 并具有可编程的内部上拉电阻 其 输出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时 若内部上拉电 阻使能 则端口被外部电路拉低时将输出电流 复位发生时端口 D 为三态 端口 D 也可以 用作其他不同 e 端口 E PE7 PE0 端口 E 为 8 位双向 I 0 口 并具有可编程的内部上拉电阻 其输 出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时 若内部上拉电 阻使能 则端口被外部电路拉低时将输出电流 复位发生时端口 E 为三态 端口 E 也可以 用作其他不同的特殊功能 d 端口 F PFT PF0 端口 F 为 ADC 的模拟输人引脚 如果不作为 ADC 的模拟输 入 端口 F 可以作为 8 位双向 I 0 口 并具有可编程的内部上拉电阻 其输出缓冲器具有对 称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时 若内部上拉电阻使能 则端口被外 部电路拉低时将输出电流 复位发生时端口 F 为三态 如果使能了 JTAG 接口 则复位发 生时引脚 PF 7 TDI PF5 TMS 和 PF4 TCK 的上拉电阻使能 端口 F 也可以作为 J TAG 接口 在 ATmegal03 兼容模式下 端口 F 只能作为输入引脚 g 端口 G PG4 PG0 端口 G 为 5 位双向 I O 口 并具有可编程的内部上拉电阻 其 输出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时 若内部上拉电 阻使能 则端口被外部电路拉低时将输出电流 复位发生时端口 G 为三态 端口 G 也可以 用作其他不同的特殊功能 在 ATmegal 03 兼容模式下 端口 G 只能作为外部存储器的锁 存信号以及 32kHz 振荡器的输入 并且在复位时这些引脚初始化为 PG0 1 PGl 1 以及 PG2 0 PG3 和 PG4 是振荡器引脚 RESET 复位输入引脚 超过最小门限时间的低 电平将引起系统复位 低于此时间的脉冲不能保证可靠复位 XTALl 反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入 第三章 单元电路设计与分析 16 XTAL2 反向振荡器放大器的输出 AVCC 为端口 F 以及 ADC 转换器的电源 需要与 Vcc 相连接 即使没有使用 ADC 也应 该如此 使用 ADC 时应该通过一个低通滤波器与 Vcc 连接 AREF AREF 为 ADC 的模拟基准输入引脚 PEN 是 SPl 串行下载的使能引脚 在上电复位时保持丽为低电平将使器件进入 SPl 串行下载模式 在正常工作过程中 PEN 引脚没有其他功能 3 1 2 单片机主控电路 单片机 ATmega128 是此便携式数字扫频仪的控制芯片 由于此系统电路庞大 需要 单片机的引脚较多 普通的单片机芯片像 c51 就不能满足本设计的需要 因此采用 ATmega128 芯片 下面简单介绍一下此部分的工作原理 首先单片机控制 AD9851 芯片 使其产生一定频率的信号 并加在被测网络的输入端 由于被测网络具有一定的幅频特 性 因此当被测网络的输入端加上一定的频率幅值的信号后 则其输出端就会相应的产 生一特定的频率幅值的信号 单片机 ATmega128 控制 AD9851 芯片产生一定的信号并加 在被测网络的输入端 然后被测网络的输出端将其输出的信号加给检波头 当检波头把 检测到的信号幅值输入给单片机 ATmega128 后 单片机 ATmega 根据内部的程序运算后 就能得到被测网络的幅频特性曲线 并在 LCD192X64 上面显示出来 南昌工程学院本科毕业设计 论文 17 图 3 1 单片机主控电路图 3 2 信号发生模块电路设计与分析信号发生模块电路设计与分析 3 2 1 AD9851 芯片简介 AD9851 芯片是 ADI 公司采用当时先进的 DDS 技术推出的较高集成度 DDS 频率合 成器 它内部包括可编程 DDS 系统 高性能的 DAC 及高速比较器 能实现全数字编程 控制的频率合成和时钟发生 AD9851 接口功能控制简单 可以用 8 位并行口或串行口直 接输入频率 相位等控制数据 32 位频率控制字 在 180MHz 时钟下 输出频率分辨率 达 0 0372Hz 先进的 CMOS 工艺使 AD9851 不仅性能指标一流 而且功耗低 在 3 3V 供电时 功耗仅为 155mW 1 各引脚介绍 D0 D7 8 位数据输入口 可给内部寄存器装入 40 位控制数据 PGND 6 倍参考时钟倍频器的地 PVCC 6 倍参考时钟倍频器电源 W CLK 字装入信号 上升沿有效 FQ UD 频率更新控制信号 时钟上升沿确认输入数据有效 第三章 单元电路设计与分析 18 REFCLOCK 外部参考时钟输入 AGND 模拟地 AVDD 模拟电源 5V DGND 数字地 DVDD 数字电源 5V Rset 通过串联一个电阻到地 设置 DAC 输出满额时的电流 VOUTN 内部比较器负向输出端 VOUTP 内部比较器正向输出端 VINN 内部比较器负向输入端 VINP 内部比较器正向输入端 DACBP DAC 旁路连接端 IOUTB 互补 DAC 输出 IOUT 内部 DAC 输出端 RESET 复位端 2 原理分析 AD9851 采用直接数字合成 DDS 技术 以数字控制振荡器 DCO 的形式产生 频率 相位可变的正弦波 经过内部 10 位的高速数 模转换输出模拟信号 片内高速比较 器可以将模拟正弦波信号转变为稳定的 TTL CMOS 兼容的方波输出 AD9851 高速 DD5 内核可接收 32 位的频率控制字输入 在 180MHz 的系统时钟下 可输出的频率分辨率为 180MHz 2 的 32 次方 AD9851 内部提供一个 6 倍频的 REFCLK 倍频器 可以通过外接一个较低频率的基准时钟产生 180MHz 的内部基准时钟 具有较好的无杂散动态范围和相位噪声特性 芯片内部提供了 5 位可编程相位调制精度 可使得输出波形的相位偏移小于 11 25 度 AD9851 内部华提供了一个高速比较器 内部 D A 转换器输出的正弦波可以通过它转换为方波输出 AD9851 频率控制字 相位调节字以及可以采用并行或串行方式异步加载到芯片内 部 并行加载模式有连续 5 个 8 位字节构成 其中第一个 8 位字节包括 5 位相位调节字 1 位 6 REFCLK 倍频器控制 1 位电源休眠使能和一位加载模式 其余 4 个字节表示 32 位的频率控制字 串行加载模式由 40 位的数据流构成 DDS 电路可以看成是一个由系统时钟和 N 位频率控制字决定的数字分频器 相位累 加器相当于模值可变的计数器 由频率控制字决定该计数器的模值 在下一个时钟脉冲 南昌工程学院本科毕业设计 论文 19 开始相位累加器以新的相位增量进行累加 设置的相位增量越大 累加器循环一周就越 快 从而输出的频率就越高 3 2 2 信号发生模块电路 图 3 2 是典型的 AD9851 信号发生电路 基于 AD9851 芯片内部的 DDS 电路 此电 路能产生 0 HZ 70kHZ 的低频频率的正弦 方波 三角波等信号 AD9851 芯片采用 5V 电压供电 内部含有精确地时钟振荡发生器 根据方案选择部分的介可知被测网络输入 端所需要加入的信号就是由下面的电路产生 图 3 2 信号发生模块电路图 凡是产生测试信号的仪器 统称为信号源 也称为信号发生器 它用于产生被测电路 所需特定参数的电测试信号 在测试 研究或调整电子电路及设备时 为测定电路的一 些电参量 如测量频率响应 噪声系数 为电压表定度等 都要求提供符合所定技术条 件的电信号 以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号 当要求进行系统的稳态 特性测量时 需使用振幅 频率已知的正弦信号源 当测试系统的瞬态特性时 又需使 用前沿时间 脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源 并且要求信号源输出信号的参数 如频率 波形 输出电压或功率等 能在一定范围内进行精确调整 有很好的稳定性 有输出指示 信号源可以根据输出波形的不同 划分为正弦波信号发生器 矩形脉冲信 号发生器 函数信号发生器和随机信号发生器等四大类 正弦信号是使用最广泛的测试 信号 这是因为产生正弦信号的方法比较简单 而且用正弦信号测量比较方便 正弦信 号源又可以根据工作频率范围的不同划分为若干种 第三章 单元电路设计与分析 20 3 3 ALC 宽带放大器的设计与分析宽带放大器的设计与分析 当 AD9851 信号发生模块产生特定的信号后 然后经幅度放大电路放大 达到我们 理想的幅值 在经过自动电平控制电路以产生稳定的幅值 幅度放大电路采用一个三极 管将 AD9851 产生的信号幅值放大 自动电平控制电路采用负反馈的原理 内部含有一个 反相放大器 并添加一个负反馈通路达到电平稳定的目的 此电路中含有多个二极管 能保护电路并实现幅值稳定 图 3 3 ALC 宽带放大电路 3 4 电源电路模块的设计与分电源电路模块的设计与分 如图 3 4 此图是整个扫频仪的供电模块电路 由于本设计采用芯片较多 并且同一 芯片可能要使用不同电压的电源 因此有必要将市电通过不同的降压 升压电路变换后 供给各个芯片 由于各芯片不仅会用到不同电压的电源 并且各个电压之间的差别较大 所以此电路采用了多级降压 升压的电路 来达到电压可以实现并且稳定的目的 此电 路先将 12V 电压降至 7V 然后再降至 5V 其内部含有一保险电阻 R6 保护电路使其内 部不至于过流 电压升压部分直接将电压由 12V 升至 30V 南昌工程学院本科毕业设计 论文 21 图 3 4a 电源模块电路 a 图 3 4b 电源模块电路 b 3 5 LCD 显示模块电路显示模块电路 3 5 1 LCD 芯片简介 LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称 LCD 的构造是在两片平行的 玻璃基板当中放置液晶盒 下基板玻璃上设置 TFT 薄膜晶体管 上基板玻璃上设置彩 色滤光片 通过 TFT 上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向 从而达到控制每 个像素点偏振光出射与否而达到显示目的 现在 LCD 已经替代 CRT 成为主流 价格也已 经下降了很多 并已充分的普及 LCD 液晶投影机是液晶显示技术和投影技术相结合的产物 它利用了液晶的电光效应 通过电路控制液晶单元的透射率及反射率 从而产生不同灰度层次及多达 1670 万种色彩 的靓丽图像 LCD 投影机的主要成像器件是液晶板 LCD 投影机的体积取决于液晶板的大 小 液晶板越小 投影机的体积也就越小 根据电光效应 液晶材料可分为活性液晶和非活性液晶两类 其中活性液晶具有较高 的透光性和可控制性 液晶板使用的是活性液晶 人们可通过相关控制系统来控制液晶 板的亮度和颜色 与液晶显示器相同 LCD 投影机采用的是扭曲向列型液晶 LCD 投影机 第三章 单元电路设计与分析 22 的光源是专用大功率灯泡 发光能量远远高于利用荧光发光的 CRT 投影机 所以 LCD 投 影机的亮度和色彩饱和度都高于 CRT 投影机 LCD 投影机的像元是液晶板上的液晶单元 液晶板一旦选定 分辨率就基本确定了 所以 LCD 投影机调节分辨率的功能要比 CRT 投 影机差 LCD 投影机按内部液晶板的片数可分为单片式和三片式两种 现代液晶投影机大都采 用 3 片式 LCD 板 三片式 LCD 投影机是用红 绿 蓝三块液晶板分别作为红 绿 蓝三 色光的控制层 光源发射出来的白色光经过镜头组后会聚到分色镜组 红色光首先被分 离出来 投射到红色液晶板上 液晶板 记录 下的以透明度表示的图像信息被投射生 成了图像中的红色光信息 绿色光被投射到绿色液晶板上 形成图像中的绿色光信息 同样蓝色光经蓝色液晶板后生成图像中的蓝色光信息 三种颜色的光在棱镜中会聚 由 投影镜头投射到投影幕上形成一幅全彩色图像 三片式 LCD 投影机比单片式 LCD 投影机 具有更高的图像质量和更高的亮度 LCD 投影机体积较小 重量较轻 制造工艺较简单 亮度和对比度较高 分辨率适中 现在 LCD 投影机占有的市场份额约占总体市场份额的 70 以上 是目前市场上占有率最高 应用最广泛的投影机 LCD 的工作原理 从液晶显示器的结构来看 无论是笔记本电脑还是桌面系统 采用 的 LCD 显示屏都是由不同部分组成的分层结构 LCD 由两块玻璃板构成 厚约 1mm 其间 由包含有液晶材料的 5 m 均匀间隔隔开 因为液晶材料本身并不发光 所以在显示屏两 边都设有作为光源的灯管 而在液晶显示屏背面有一块背光板 或称匀光板 和反光膜 背光板是由荧光物质组成的可以发射光线 其作用主要是提供均匀的背景光源 背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万液晶液滴的液晶层 液晶层中的液滴都被包含在细小的单元格结构中 一个或多个单元格构成屏幕上的一个 像素 在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极 电极分为行和列 在行与列的交叉点上 通过改变电压而改变液晶的旋光状态 液晶材料的作用类似于一个个小的光阀 在液晶 材料周边是控制电路部分和驱动电路部分 当 LCD 中的电极产生电场时 液晶分子就会 产生扭曲 从而将穿越其中的光线进行有规则的折射 然后经过第二层过滤层的过滤在 屏幕上显示出来 液晶显示技术也存在弱点和技术瓶颈 与 CRT 显示器相比亮度 画面均匀度 可视角 度和反应时间上都存在明显的差距 其中反应时间和可视角度均取决于液晶面板的质量 画面均匀度和辅助光学模块有很大关系 对于液晶显示器来说 亮度往往和他的背板光源有关 背板光源越亮 整个液晶显示 南昌工程学院本科毕业设计 论文 23 器的亮度也会随之提高 而在早期的液晶显示器中 因为只使用 2 个冷光源灯管 往往 会造成亮度不均匀等现象 同时明亮度也不尽人意 一直到后来使用 4 个冷光源灯管产 品的推出 才有很大的改善 信号反应时间也就是液晶显示器的液晶单元响应延迟 实际上就是指的液晶单元从一 种分子排列状态转变成另外一种分子排列状态所需要的时间 响应时间愈小愈好 它反 应了液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度 即屏幕由暗转亮或由亮转暗的速度 响应时间越小则使用者在看运动画面时不会出现尾影拖拽的感觉 有些厂商会通过将液 晶体内的导电离子浓度降低来实现信号的快速响应 但其色彩饱和度 亮度 对比度就 会产生相应的降低 甚至产生偏色的现象 这样信号反应时间上去了 但却牺牲了液晶 显示器的显示效果 有些厂商采用的是在显示电路中加入了一片 IC 图像输出控制芯片 专门对显示信号进行处理的方法来实现的 IC 芯片可以根据 VGA 输出显卡信号频率 调 整信号响应时间 由于没有改变液晶体的物理性质 因此对其亮度 对比度 色彩饱和 度都没有影响 这种方法的制造成本也相对较高 由上便可看出 液晶面板的质量并不能完全代表液晶显示器的品质 没有出色的显示 电路配合 再好的面板也不能做出性能优异的液晶显示器 随着 LCD 产品产量的增加 成本的下降 液晶显示器会大量普及 3 5 2 LCD192X64 显示电路 本设计的根本目的就是要得到被测网络的幅频特性曲线 并在 LCD 显示器上面显示 出来 下图是 LCD192X64 与单片机 ATmega128 的硬件连接电路图 由于本设计最终输 出的是幅频特性曲线 因此数码管不适合本设计 LCD192X64 需要 5V 的电压电源供电 第三章 单元电路设计与分析 24 图 3 5 LCD 显示电路图 3 6 检波电路 检波电路 3 6 1 检波电路的基本介绍 从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波 用以完成这个任务的电路称为检 波器 最简单的检波器仅需要一个二极管就可以完成 这种二极管就被称做检波二极管 目前 集成射频检波器现已得到了广泛的应用 而且每当要求更高的灵敏度和稳定性 时 集成射频检波器有代替传统的二极管检波器的趋向 从调幅波中恢复调制信号的电路 也可称为幅度解调器 与调制器一样 检波器必须 使用非线性元件 南昌工程学院本科毕业设计 论文 25 图 3 7 预零交叉检波器的设计 因而通常含有二极管或非线性放大器 2 包络检波器 图 3 8 是典型的包络检波电路 由中频或高频放大器来的标准 图 3 8 检波器的电压输入输出波形 调幅信号ua t 加在L1C1 回路两端 经检波后在负载RLC上产生随ua t 的包络而 变化的电压u t 其波形如图 2 所示 这种检波器的输出u t 与输入信号ua t 的峰 值成正比 所以又称峰值检波器 包络检波器的工作原理可用图 2 的波形来说明 在t1 t t2 时间内 输入信号瞬时值 ua t 大于输出电压u t 二极管导通 电容C通过二极管正向电阻ri充电 u t 增 大 在t2 t t3 时间内 ua t 小于u t 二极管截止 C 通过RL 放电 因此u t 下 降 到t3 以后 二极管又重新导电 这一过程照此重复不已 只要RLC选择恰当 就可 在负载RLC上得到与输入信号包络成 第三章 单元电路设计与分析 26 图 3 9 同步检波器波形 对应关系的输出电压u t 如果时间常数RLC太大 放电速度就会放慢 当输入信 号包络下降时 u t 可能始终大于ua t 造成所谓对角切割失真 图 2 此外 检波 器的输出通常通过电容 电阻耦合电路加到下一级放大器 如图 1 中虚线所示 如果Rg 太小 则检波后的输出电压u t 的底部即被切掉 产生所谓的底部切割失真 2 同步检波器 图 3 10 再生式检波器电路 图 3 10 为同步检波器的框图 模拟相乘器的一个输入为一单频调制的单边带调幅信 号 即us t Umcos ct mt 其中 c 为载波信号角频率 m 为调制信号角频率 另一输入是本机产生的相干信号 即uc t Uccos ct 则乘法器的输出电压u0 t 与 uS t 和uc t 的乘积成正比 即 u0 t Kus t uc t 式中K为一比例常数 U0 t 中包括两项 一项为高频项 2 c m 另一项为低频 项 m 通过低通滤波器后将高频项滤除 即得到与调制波成对应关系的输出 Uc t 通常可用本地振荡器或锁相环产生 同步检波器的抗干扰性能比包络检波器优越 但是 它的电路比较复杂 随着电子技术的进步 这种解调方法的应用日益广泛 南昌工程学院本科毕业设计 论文 27 图 3 11 双通道对数检波器 3 6 2 检波电路原理 检波器 是检出波动信号中某种有用信息的装置 用于识