简易幅频特性测试仪_图文

1、简易幅频特性测试仪摘要根据题目要求, 设计了一种幅频特性测试仪。 采用精度为 8位的 DAC 芯片 DA0832, 产生有效值 为 1V 的正弦波。采用具有 10位 ADC 功能的单片机 STC12C5A60S2,实现被测信号的检测。采用运 算放大电路,实现提高输入阻抗和降低输出阻抗的目的。采用按键功能,可设定输出正弦波的频率。 经测试,该幅频测试仪能够输出有效值为 1V 的正弦波、无明显失真、全频段幅度误差在 %,输出正 弦波的频率范围为 100-10kHZ 、 误差为 %, 交流信号的测量精度为 %、 分辨率为 0.01V , 输出阻抗小于 10,输入阻抗大于 100k 。关键词:DAC0

2、832 10位 ADC 频率可调正弦波目录1方案论证与比较 . 11.1总体思路 . 1 1.2各模块方案的选择与论证 . . 22 系统设计 . 42.1总体设计 . 4 2.2硬件电路设计 . 4 2.2.1拉力值测量模块 . 4 2.2.2电机驱动模块 . 7 2.2.3透明胶被拉动距离测量模块 . 73软件设计 . 93.1算法的标定实验 . 9 3.2软件流程 . . 134系统测试 . 154.1测试仪器、设备 . 15 4.2测试方法步骤与结果分析 . 16 4.2.1拉力值的测试 . 16 4.2.1拉伸距离的测试 . 165 结论 . 17参考文献: . 18附录: . 19

3、附 1:电路图 . 19附 2:实验测试图 . 20附 3:实物图 . 2111方案论证与比较根据题目的要求,该幅频特性测试仪的功能是能够输出可调频率的正弦波给被测电 路,并测量经过测量电路后的正弦波信号的变化,从而得出被测电路的幅频特性。其原理:当被测电路的输入为正弦信号时 , 则输出的稳态响应也是一个正弦信号 , 其 频率和输入信号的频率相同 , 但幅度和相位发生了变化 , 而变化取决于角频率 X 。 若把输出 的稳态响应和输入正弦信号用复数表示 , 并求它们的复数比 , 则得公式(1-1 :( j G j A e = (1-1其中 G (j 称为频率特性 ,A (是输出信号的幅值与输入信

4、号幅值之比 , 称为电路网络幅频特性。 e j ( 是输出信号的相角与输入信号的相角之差 , 称为相频特性。 其中 ,电路幅频特性是电路网络的一个重要特性 , 本文探讨电路网络幅频特性参数的测试。 在实 际测量中 , 用一个随着时间按一定规律 , 并在一定频率范围内扫动的信号对被测电路进行 快速、定性或定量的动态测量 , 给出被测电路网络的电路网络幅频特性实时测量结果。测 量原理见图 1-1: 图 1-1 测量原理为了显示被测电路在不同频率下, 输出信号对输入信号的放大倍数图像, 必须要有显 示模块。为了能控制仪器输出不同范围的频率,必须要有按键输入模块。 图 1-2 幅频特性测试仪原理框图经

5、以上总体思路分析,得出以下系统原理图,如图 1-2所示。由本系统产生正弦激励 信号去激励被网络,通过采集输入被测网络之前的信号幅值与从被测网络出来的信号的 幅值,相除得到被测对各频率正弦信号的增益情况,从而得出被测网络的电路网络幅频 特性。根据幅频特性测试仪原理框图可知,该测试仪主要由四部分组成,分别为正弦波 发生模块、控制模块、交流信号幅值检测模块和显示模块。下面对这四部分进行方案的 选择与论证。(1正弦扫频信号发生模块方案正弦扫频信号发生器是本设计的核心部分。要求能产生优于 5HZ 误差的频率,且在 100HZ 10KHZ 范围内 , 步进为 100HZ 。方案一:采用传统的直接频率合成法

6、合成。 经过混频、倍频、分频网络和带通滤波 器完成对频率的算术运算。但由于采用大量的模拟环节,导致直接频率合成器的结构复 杂,体积庞大,成本高,而且容易引入干扰,影响系统的稳定性,难以达到较高的频谱 稳定性。方案二:采用锁相环间接频率合成(PLL 。 虽然具有工作频率高、宽带、频谱质量 好的优点,但是由于锁相环本身是一个惰性环节,锁定时间较长,故频率转换时间较长, 很难满足系统要求的高速度指标。另外,由于模拟方法合成的正弦波参数都很难控制,不易实现。方案三:采用直接数字式频率合成(DDS 。 其原理如图 1-3所示,用控制芯片的存储器 储存的所需波形量化数据,按不同频率要求,以频率控制字为步进

7、对相位增量进行累加, 以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据,经过 D/A转换和幅度控制, 再滤波即可得到所需波形。由于 DDS 具有带宽很宽,频率转换时间极短(小于 20s , 频率分辨率高,全数字化结构便于集成等优点,以及输出相位连续,频率、相位和幅度 均可实现程控, 完全可以满足本题目的要求。 DDS 有着较多的优点, 但是 DDS 技术也有内 在的缺陷杂散噪声。 图 1-3 DDS 原理框图为了全面实现题目的要求,选择最合适的三号方案作为正弦波扫频信号发生器的核 心,实现高速、高精度、高稳定性的正弦信号输出。2(2控制模块方案方案一:用 FPGA 等可编程器件作为控制模块的

8、核心。 FPGA 可以实现各种复杂的逻 辑功能,规模大,密度高,体积小,稳定性高,易于功能扩展,采用并行的输入 /输出方 式,提高了系统的处理速度,适合作为大规模实时系统的控制核心。就 FPGA 的制造工艺 而言, FPGA 掉电后数据会丢失, 上电后必须进行一次配置, 因此 FPGA 在应用中需要配置 电路和一定的程序,并且 FPGA 器件作为一个数字逻辑器件,竞争和冒险正是数字逻辑器 件较为突出的问题,因此在使用时必须注意毛刺的消除及抗干扰性,从而增大了电路或 程序的复杂程度和可实施性。方案二:用 STC12C5A60S2单片机为系统的主控核心。 单片机具有体积小, 使用灵活, 拥有较强的

9、指令寻址和运算功能等优点,而且单片机的功耗低,价格低廉。采用单片机作为控制器比 FPGA 更适合本系统的规模。 充分考虑到综合性价比和控制 的方便程度,确定选择方案二作为系统的控制核心模块方案。(3交流信号幅值测量方案方案一:采用真有效值转换芯片 (如 AD637 。 将输入信号转换成有效值的形式输出, 供后级的 A/D采样。此种方案的测量精度较高,但由于有效值转换芯片转换的过程相对 较长(一般为几十到几百个 ms ,对于幅频特性,需要采集很多个点,此种方案的测量过 程将是很长的。方案二:采用 ADC 测量方式。 这种方案只要将经过被测电路的信号输入经过 ADC 转 换,在控制芯片中对数据进行

10、处理,筛选出幅值。该方案的优点是电路和程序控制都简 单易行。 缺点是赋值的测量精度取决于 ADC 转换芯片的转换速度和控制芯片的运算速度。 综合所有的因素,采用方案二更适合本设计。(4显示模块方案方案一:采用 LED 数码管显示。 虽然功耗低,控制简单,但显示能力有限,人机界 面较差。方案二:采用 12864液晶屏显示。 可以显示多种字符,并能同时显示多组数据、汉 字,字符清晰,人机界面友好。方案二的液晶显示方式有效解决 LED 只能显示数字等几个简单字符的缺点,具有性 能好,控制方便,显示方式多的优点。因此本设计采用方案二的 12864液晶显示屏作为 显示模块。32 系统设计2.1 总体设计

11、系统总体框架如图 2-1所示,由 STC12C5A60S2单片机处理器控制 DAC 转换芯片 DAC0832产生正弦激励信号去激励被网络, 将信号进行处理后输送给具有 ADC 功能的单片 机,实现从被测网络出来的信号的幅值的采集与处理目的,即可得到被测电路对各频率 正弦信号的增益情况,从而得出被测电路的幅频特性。 图 2-1 系统总体框架2.2 硬件电路设计正弦波信号发生模块的具体硬件结构由 两个部分组成,分别为 基准源电路和 DAC0832转换电路,下面对这两部分做详细的介绍。(1基准源电路TL431 的内部含有一个 2.5V 的基准电压, 所以当在 REF 端引入输出反馈时, 器件可 以通

12、过从阴极到阳极很宽范围的分流,控制输出电压。如图 2-2所示的电路中,当 R1和 R2的阻值确定时,两者对 V o 的分压引入反馈,若 V o 增大,反馈量增大, TL431的 分流也就增加,从而又导致 V o 下降。显见,这个深度的负反馈电路必然在 VI 等于基准 电压处稳定,此时有公式(2-1 :ref o V R R V 1(21+= (2-1 选择不同的 R1和 R2的值可以得到从 2.5V 到 36V 范围内的任意电压输出, 需要注意 的是, 在选择电阻时必须保证 TL431工作的必要条件, 就是通过阴极的电流要大于 1 mA 。 本设计采用的是 TL431作为 DAC0832的电压

13、基准源 +2.5V,根据公式(2-2可得当 R 1取零, R 2取无穷时,输出电压为 +2.5V。(5. 25. 2* 01(V V o =+= (2-2 图 2-2 TL431典型应用图(2 DAC0832转换电路DAC0832 是一款转换精度为 8位, 转换速度为 1s 的 D/A 转换器芯片。 V ref 引脚为 芯片提供参考电压; RFB 为反馈电阻引出端 , 与运算放大器输出端相连接; DI7 DI0 数字量输入信号, 其中 DI0为最低位, DI7为最高位; CS 为片选信号 , 低电平有效; WR1为写信号 1,低电平有效; XFER 为转移控制信号,低电平有效; WR2为写信号

14、 2,低电 平有效; I OUT1为模拟电流输出端 1,当输入数字为全 1时 , 输出电流最大,全 0时 , 输出 电流为 0,如公式(2-3 :RFB V ref256255 (2-3I OUT2为模拟电流输出端 2,其与 I OUT1的关系如公式(2-4I OUT1 + I OUT2 = C (常数 (2-4如图 2-3所示, 通过控制片选端、 写数据端和数据位, 从而控制 DA0832输出模拟量, 本仪器采用如图 2-3所示的单缓冲工作方式应用图, 一个输入寄存器工作于直通状态, DAC 寄存器工作于受控状态, 此时只需一次写操作, 就开始转换, 转换后直接输出数据, 提高了 D/A的数

15、据吞吐量。 图 2-3单缓冲工作方式应用图 其调幅的原理为:当数据口输入的数字量为 0FFH=255时,有公式(2-5所示的电流量输出:RFBV I ref out 2562551= (2-5 输出电压如公式(2-6所示:ref out o V RFB I V 256255*1-=-= (2-6断电和串口时钟输入端为 PD_SCK。 通过控制输入该端口电平的不同时序, 可以实现 数据输入、输出和增益通道的选择,时序图如图 2-4所示。 图 2-4 DAC0832 时序图2.2.2电机驱动模块 2在电机驱动模块的方案讨论中拟定采用 LM298芯片驱动直流减速电机。其硬件电路 如图 2-5所示。L

16、M298内有两个 H 桥式电机驱动电路,可用来驱动两个直流电机,本方案中只用其 中的一个 H 桥,标号为 A 。在该电路中,电机的两端各安装有两个二极管,这些二极管 都是从驱动器的输出端连接到电机的电源端,或者接地端,其作用能限制和消除感应尖 峰电压。其驱动原理:LM298芯片的 1EN 是标号为 A 的 H 桥的使能端, 1A1和 1A2可以控 制电机的正反转。在控制电机的时候,当使能端 1EN 置高电平时, 1A1和 1A2置不同的 高低电平时, 电机实现正或反向转动。 当使能端 1EN 置低电平时, 不管 1A1和 1A2的电 平如何变化,电机均停止转动,从而实现电机正反向转动和停止的控

17、制。 图 2-5 LM298电机驱动电路2.2.3 透明胶被拉动距离测量模块 3该模块的主要硬件电路是编码盘和光电传感器, 如图 2-6和图 2-7所示。 硬件结构为:将黑白颜色块相互间隔的编码盘安装在电机的转轴上,编码盘穿过微型槽型对射光电传 感器。其原理:当电机转动时,编码盘穿过对射式光电传感器的槽型对射光电开关旋转, 当编码盘上的黑色部分挡住光线时,输出低电平,当光线透过编码盘的白色部分时,输 出高电平,从而产生高低电平变化的脉冲,即把电机的旋转角度转换为脉冲数的大小。 将脉冲输送给单片机的中断功能进行计数即可得到拉动的距离。根据如图所示的编码盘, 从白色部分和相邻黑色部分依次穿过槽型对

18、射光电开关的时 候,将产生一个从高电平到低电平的下降沿,输送给单片机的外部中断输入端从而触发 中断。根据标定实验发现,进入中断的次数与透明胶被拉动的距离是成线性关系的。因此,累计进入中断的次数,即可得到透明胶带被拉动的距离。 图 2-6 编码盘光电传感器的核心部件为红外发光二极管和硅平面光电三极管, 发光二极管不间断地 发送红外光束,当编码盘的黑色部分挡住光束时,光电三极管不导通,输出低电平,反 之输出高电平。 输出脉冲经过 TTL 电平转换电路, 如图 2-5中运算放大器、 R 3和 R 4所示, 其构成一个单限比较器,输出即为 TTL 电平脉冲,满足单片机的检测需要。 图 2-7 光电传感

19、器原理图3软件设计算法的标定实验在该仪器的测量中, 硬件电路测量出拉力传感器的输出电压值的数字量, 光电传感器 输出脉冲量,要测量出透明胶带被拉伸的拉力和距离,需要软件程序算法来实现。以下 两个标定实验为算法的实现奠定基础。(1 拉力值与转换后的电压值的关系实验方法与步骤:如附图 4所示, 将仪器放在水平的平面上, 将拉力传感器的上端固 定在金属支架的上端,使用电子秤称出质量为 M 的沙子,使用示波器测量拉力传感器的 输出端的电压值 V 。即质量为 M 的沙子所产生的拉力 F 对应转换后的电压值 V 。重复以 上的步骤,从 1mg-5kg ,以 1mg 为步进进行测量。质量 M 的沙子与产生拉

20、力 F 的关系如 公式(3-1所示。8. 9*MF (3-1 测试物体与转换后的电压值关系实验数据如表 3-1所示,通过 MA TLAB 对数据进行 线性拟合分析得到如图 3-1所示质量与电压值的关系图像。表 3-1 测试物体质量与电压值标定实验测试物体质量 /kg 电压值 /V ADC 值0.14 0.6 890.305 1 1390.445 1.1 1750.58 1.4 2150.67 1.5 2400.785 1.6 2730.96 1.8 3291.02 2 3541.24 2.2 4031.385 2.5 4431.51 2.6 4801.66 2.9 5231.815 3.2 5

21、641.935 3.3 6012.015 3.4 6302.195 3.6 6762.33 3.8 7192.41 4 7502.62 4.2 7932.71 4.3 8202.82 4.5 8502.91 4.6 8752.995 4.8 8953.125 4.8 930 图 3-1 测试物体质量与电压值的关系图像从图 3-1所示图像可以得出结论,排除测量和机械误差带来的影响,拉力传感器将拉 力转换成电压值,两个变量之间的关系是线性的。 通过 MATLAB 对数据进行线性拟合分析得到如图 3-2所示的质量与 ADC 值的关系图像。图 3-2 测试物体质量与 ADC 值的关系图像从图 3-2所

22、示图像可以得出结论, 排除测量和机械误差带来的影响, ADC 测量值 与拉力值之间的关系是线性的,如公式(3-2 ,其中 y 为质量值, x 为 ADC 值。7. 53(00353. 0-=x y (3-2(2 拉动距离与转换后的脉冲数目的关系实验方法与步骤:如附图 5所示,将仪器放在水平的平面上,游标卡尺倒置后,将其 游标部分捆绑在仪器的金属支架上端,将细线的一端缠绕在减速电机的导轮上,另一端 捆绑在游标卡尺的主尺上。设定好所要测量的脉冲数目 N 后,首先读取当前游标卡尺的 数值 X 1,开启电机运转,当达到脉冲数目 N 时由单片机自动控制电机停止。此时,记录 下游标卡尺上的数值 X 2,即

23、所要测量的脉冲数 N 产生的拉动距离 X 为公式(3-3 :12X X X -= (3-3为了使实验的结果更加准确可靠, 从少到多不同的脉冲数目都进行实验。 实验的数据 结果如下表 3-2、表 3-3、表 3-4、表 3-5所示。表 3-2 130个脉冲标定实验脉冲数目 N/个 拉动距离 X/cm N/ X(个 /mm 128 1.49 8.590604 129 1.51 8.543046 129 1.52 8.486842 129 1.5 8.6 128 1.49 8.590604 129 1.488 8.669355 129 1.52 8.486842 130 1.518 8.5639 1

24、29 1.502 8.588549 129则得平均每毫米产生的脉冲数目为公式(3-4 :=10101i Xi8.560658 (3-4表 3-3 320个脉冲标定实验脉冲数目 N/个拉动距离 X/cm322 3.77 8.541114058 322 3.76 8.563829787 322 3.77 8.541114058 321 3.76 8.537234043 320 3.74 8.556149733 322 3.72 8.655913978 323 3.78 8.544973545 320则得平均每毫米产生的脉冲数目为公式(3-5 :=10101i Xi8.560184512 (3-5表

25、 3-4 420个脉冲标定实验脉冲数目 N/个拉动距离 X/cmN/ X(个 /mm420 4.96 8.467742 419 4.902 8.547532 421 4.928 8.543019 419 4.862 8.617853 420 4.939 8.503746 421 4.91 8.574338 421 4.936 8.529173 419 2.878 14.55872 421 4.97 8.470825 420则得平均每毫米产生的脉冲数目为公式(3-5 :=10101i Xi8.532698 (3-5表 3-5 520个脉冲标定实验脉冲数目 N/个拉动距离 X/cm N/ X(个

26、/mm 520 6.096 8.530184 522 6.116 8.53499 522 6.1 8.557377 521 6.128 8.501958 523 5.172 10.11214 523 6.206 8.427328 521 6.116 8.51864 524 6.136 8.539765 523 6.134 8.526247 521则得平均每毫米产生的脉冲数目为公式(3-6 :=10101i Xi8.516309 (3-6根据以上数据可得到结论:一次拉动的距离越长, 每毫米产生的脉冲数目就约少, 但 都维持在每毫米产生大概 8.5个脉冲,误差小于 0.1个脉冲。产生误差的原因在于

27、减速电机从启动到匀速转动和从匀速转动到停止都需要一定的 时间、细绳本身的弹性拉伸、测量过程中游标卡尺的晃动和读取游标卡尺数值时的误差。根据题目的要求,测量拉动的范围为 0-5cm ,精度为 1mm ,如果按每毫米 8.5个脉冲 计算,则允许最大的脉冲误差个数为公式(3-7 :17. 0505. 8= (3-7 由于 0.17大于标定实验时的最大误差 0.1,因此将 8.5个脉冲作为每毫米产生的脉冲 个数是准确的。软件部分采用 C 语言编写,为了配合串口通信,采用的晶振频率为 11.0592MHZ 。由 调度模块, ADC 模块,外部中断子程序,键盘服务程序和显示服务子程序构成。主程序 如图 3

28、-3所示,进入主程序后,首先进行 ADC 功能、外部中断和液晶的初始化,然后进 入开机显示,最后进入大循环,循环内不断执行按键的检测,当有键按下时,执行按键 功能,否则直接返回。外部中断服务程序的功能是在测量的时候对光电传感器的脉冲进行计数,每 1mm 时 计算拉动的距离, 并读取 ADC 值转换为拉力, 当 ADC 值小于 55时, 即表示透明胶带被 拉断,此时关闭电机。将拉动距离与拉力两者结合在液晶显示屏上绘点,并储存该数据, 最后通过串口发送信息给上位机,其程序流程如图 3-4所示。ADC 中断中检测输送给单片机的电压值,其程序流程如图 3-5所示。 图 3-3 主程序流程图图 3-5

29、ADC中断程序流程图 图 3-4 外部中断程序流程图主程序中实时检测按键功能,按键有四位, Function 键可实现不同功能间的切换,加 减键可在查询功能时翻阅前后历史数据,确定键可实现置位、测量和量程切换功能。根 据功能标志位 Function 的不同,进入不同的按键功能,总共有 4种功能,分别为置位、 测量、量程切换和查阅历史等功能。具体程序流程如图 3-6所示: 图 3-6 键盘服务程序4系统测试4.1 测试仪器、设备示波器 型号:DS1052E性能:带宽 50MHz ;时基精度 50ppm ;垂直灵敏度 2 mV/div 5 V/div;垂直分辨率 8 bits; 图 4-1 DS1

30、052E示波器作用:在拉力与转换后电压值的标定实验中用于测量电压值的大小。万用表:型号:DT9205 性能 : 直流电压测量 200mv-200v ;准确度 ±0.5%; 直流电流测量 2mA-200mA ;准确度 ±1.2%电阻测量 200-2M ;准确度 ±0.8%;作用:在方案讨论中论证电机的负载电流是否超出 LM298的最大 驱动电流。在系统测试时用于检测制作的电路板参数。 图 4-2 DT9205万用表电子秤型号:ACS30 性能:量程:1g-30kg ;精度:1g ;作用:在拉力与转换后电压值的标定实验和仪器参数测试实验中用于测量实验重物的重量。 图

31、4-3 ACS30电子秤 游标卡尺性能:量程:0-18cm ; 作用:在拉动距离与转换后脉冲数目的标定实验和仪器参数测试实验中用于测量实际的拉动距离。 图 4-4 游标卡尺4.2 测试方法步骤与结果分析(1测试方法与步骤:如附图 4所示, 将仪器放在水平的平面上, 拉力传感器的上端固定在金属支架的上端, 透明胶带通过细线和拉力传感器的下端连接,细线的另一端缠绕在减速电机的导轮上。 首先将透明胶带的下端位置在金属支架上进行定标,开启电机运转,手动控制按键使电 机停转, 用游标卡尺测量定标处与拉伸后透明胶带下端的距离即为实际拉动距离 X 。 此 时记录液晶显示屏拉力的数值 F 1。使用沙子作为重物

32、拉伸透明胶带,使用游标卡尺测量 使其拉伸也为 X , 此时用电子秤称出质量重物质量为 M 。 重复以上的步骤, 从 1mg-5kg , 分散测量 10组数据。质量为 M 的沙子与产生拉力 F o 的关系如公式(4-1所示。 8. 9*MF (4-1 (2测试结果与分析:按照以上测试步骤,得出如表 4-1所示结果。表 4-1 实际拉力值与显示拉力值测试显示值 /kg 实际值 /kg 绝对误差 /kg 标称相对误差 /% 满量程相对误差 /%数据分析:误差分析:拉力的显示值与实际值的最大绝对误差为 19g ,最大标称相对误差为 0.478%,最大的满量程相对误差为 0.587%。量程:测量的最大量

33、程为 3.165kg 。重量大于该值后,显示值保持不变。精度:测量的精度为 100mg 。(1测试方法与步骤:如附图 5所示, 将仪器放在水平的平面上, 拉力传感器的上端固定在金属支架的上端, 透明胶带通过细线和拉力传感器的下端连接,细线的另一端缠绕在减速电机的导轮上。 首先将透明胶带的下端位置在金属支架上进行定标,开启电机运转,手动控制按键使电机停转, 用游标卡尺测量定标处与拉伸后透明胶带下端的距离即为实际拉动距离 X 。 此 时,查看液晶显示的拉动距离 L 。重复以上步骤,在 1mm-5cm 之间,分散测量 10组数 据。(2测试结果与分析:按照以上测试步骤,得出如表 4-2所示结果。表 4-2 实际拉动距离与显