简易综合测试仪

1、 简易综合测试仪摘要：本作品为由电平（电压）表与电平振荡器组成的简易综合测试仪。电平（电压）表采用真有效值/直流转换芯片AD637把被测交流信号转换为直流有效值并通过AD采样单片机处理显示电平（电压）值，可测量20Hz到1MHz的交流信号。电平振荡器采用直接数字频率合成芯片AD9851进行频率合成，并经过放大滤波输出频率、增益可控正弦波，还具有幅频特性测试与幅频数据存储回放功能。关键词：单片机 直接数字频率合成 真有效值变换 放大与滤波一、方案设计与论证：1.1系统框图整个个系统由电平表与电平震荡器两部分组成，包括控制与显示等模块，总体框图如图1.1所示：功能选择交流信号有效值检测电平振荡发生

2、器单片机AD采样自动档位选择电平值显示幅值与频率控制滤波与输出幅频特性存储与显示1.2方案设计与比较本设计分为电平振荡器和电平测量仪两个部分，分别实现产生频率和幅值可控的信号和检测宽频带交流信号的功能，有以下几种方案：1电平（电压）表方案一：采用高速AD转换器对被测交流信号直接采样，然后再通过数据处理得到信号的电子值。为了保证足够的精度，采样间隙应尽量短，因而要求AD转换器具有较高的采样频率，相应的控制器也要采用实时控制方式，使控制电路制作难度加大，用于数据处理的软件工作量也较复杂。方案二：先采用真有效值ACDC转换器将被测的交流信号电压转换为与其有效值相等的直流电压，然后通过AD转换器对该直

3、流电压进行采样，即可得到被测交流信号的电平值。该方法降低了对AD转换器采样速率的要求，并且仅使用单片机就可以实现对电路的控制，用于数据处理的软件工作也较简单。此外，该方案还适用于任意波形信号有效值电平的测量。以上两个方案都可以达到本题要求，但相对说来，方案二较易实现，故选择方案二。2电平振荡器方案一：由RC振荡器或LC振荡器构成。这是一种较传统的振荡器电路形式，这种振荡器电路的不足之处是：组成较繁杂，调试较困难，不易实现程控。方案二：由专用信号发生器IC芯片构成。例如，ICL8038就是一款性价比较高的专用IC芯片，由该芯片构成的振荡器电路简单，易调试，且输出频率与外加控制电压成正比，较易实现

4、程控。但ICL8038频率范围的上限仅为300kHz，不能满足题目发挥部分的要求(频率上限为1MHz)。方案三：采用直接数字频率合成(DDS)信号源。DDS是一种纯数字化的方法。它先将所需正弦波一个周期的离散样点的幅值数字量存人ROM中，然后按一定的地址间隔(相位增量)读出，并经DA转换器形成模拟正弦信号，再经低通滤波获得所需质量的正弦信号。DDS信号源具有输出频率稳定度高，精度高，分辨率高且易于程控等优点，能较好地满足本题的要求。综合考虑，选择DDS方案三。二、电路设计与理论计算1. 电平测量仪电平振荡器主要由进行真有效值变换的AD637部分和对直流电压信号采样处理单片机组成，总体框图如图2

5、.1.1所示：信号输入程控放大AD637AD采样单片机显示 图 电平测量仪系统框图(1) 程控放大部分题目中要求测量范围为0.001到9.99V。根据被测信号大小，电压表量程转换器分为10V、1V、0.1V三个量程。为满足有效值转换模块电压范围，采用两级放大方式，10V、1V、0.1V三个量程分别对应放大0.5倍、5倍、50倍。利用模拟开关控制前级反馈电阻值实现增益控制。为满足放大要求，选择运放AD817进行放大，其带宽增益积为50M。输入端由拨码开关实现600欧与高阻的切换。电路图如图2.1.2所示。(2) 真有效值转换部分题目要求有效值测量误差小于03dB，选用专用真有效值测量芯片AD63

6、7，其内部由硬件实现高精度的真有效值算法。当输入电压为100mY时，带宽标称值为600kHz；当输入电压为2V时，带宽标称值为8MHz。当被测信号幅值较小时，须在前级对被测信号进行放大，以保证测量精度。电路如图2.1.2所示。(3) 模数转换模块 直接利用MSP430LanchPad上10位AD对信号进行采样、处理并通过Lcd进行显示，并控制程控放大，实现自动换挡。 图 电平测量仪电路图 2. 电平振荡器 电平振荡器以直接数字频率合成器AD9851作为核心，该芯片由32位相位累加器、正弦函数功能查找表、D/A变换器以及低通滤波器集成，可以产生一个频谱纯净、频率和相位都可以编程控制且稳定性很好的

7、模拟正弦波。AD9851，最高工作频率可达180MHz， 最大输出频率可达70 MHz，最大分辨率为0.04Hz。由于内部集成了时钟6倍频器和一个高速比较器，要达到180MHz的参考频率仅需一个30MHz晶振，提高了系统的电磁兼容能力。 电平振荡部分设计框图如下： M C ULCD频率HCF模拟开关：幅值选择LF356电压跟随器AD9851合成模拟正弦波按键控制频率AD817电压跟随AD817放大器 输出电平振荡器设计框图(1)频率的控制：本设计中参考频率选用20MHz有源晶振，则经AD9851内部倍频器6倍频后的系统时钟为120MHz。芯片集成的正弦函数表位数N值为32，由频率直接合成公式：

8、 因此在20MHz晶振产生的参考频率下的最大分辨率可达0.03Hz。AD9851内部有5个输入寄存器，储存来自外部数据总线的32位频率控制字，单片机通过对32位控制字的赋值则可精确控制最终合成的信号频率。最终合成信号的频率为： 其中：， 为单片机所输入到AD9851的二进制32位频率控制字。(2)幅值的控制：根据输出信号幅值要求，输出电平范围：-30dB+20 dB，步进值为10dB，其中一个电压的电平定义公式为： (dB) ，则输出信号的峰峰值为69.2mV22V。 AD817搭建的放大器设计的放大倍数为10，从跟随器输入的信号峰峰值为2.19V，则衰减倍数依次为：1、3.16、10、31.

9、6、100、316。如下图所示，开关用芯片HCF4051实现。 图2.1.2电平振荡器电路三、软件设计与分析整体流程：本设计考虑到电平振荡器和电平值测量器可以作为两个独立的模块进行工作，保证系统稳定性，同时由于IO口的限制，分别采用两个单片机控制这两个模块。(1)4×4键盘控制：先置单片机IOA0IOA3为带数据缓存器的高电平输出，置IOA4IOA7为带下的输入，此时若有键按下，取IOA4IOA7的数据得到一个高电平值，把此值保存下来后，再置IOA4IOA7为高电平输出，置IOA0IOA3为输入，此时若键仍没弹起，IOA0IOA3的数据将接收到另一个值，把这两个值组合即可查表得到键值

10、。(2)ADC0809的基频产生：利用单片机的可编程计数器溢出产生固定频率的PWM波，计数器时钟CP为单片机的系统时钟的分频，计数器从预置值x到计满65535产生一个溢出信号，从而产生频率、占空比可编程的PWM波，本设计中，由单片机的复用IO口产生f5KHz，占空比为50的方波，驱动ADC0809进行数模转化。(3)AD9851的控制：参见本文关于AD9851的论述部分。根据AD9851的频率控制算法向AD9851的D0D7端口分四次输送32位的频率控制数据，并触发使能端。数据的计算：ADC0809采集到的数据Data，换算成电压，再换算成增益：功能键设置：功能键有F1信号产生，F2电平测量，

11、F3存储回放。 图9 整体软件流程图1电平振荡器部分：键盘输入电平的频率和幅值大小，单片机实时控制电平振荡器（DDS）频率，并通过控制DAC TLC7254精确调幅，同时驱动数码管显示频率和电压值。图10 电平振荡器部分程序图2 电平测试仪部分：单片机的复用IO口产生5kHz的PWM信号驱动ADC0809，当ADC0809的EOC输出高电平读取ADC0809的DATA值并将数据存储到单片机内部集成的FLASH存储器。若检测到所测电压值低于0.7V时，单片机触发继电器开关选择前级通路切换到放大状态，使得AD637对放大后的电压进行采样转真有效值，单片机在数据处理时再将其按同样的电压放大系数还原修

12、正，则电路可以减小AD637在较低电压下带来的精度误差，扩展信号的测量范围。 图11 电平测量仪的程序流程图四、测试方法与数据1测试方法仪器： 数字示波器Tektronix TDS1002，函数发生器EE1420。在室温条件下，利用电平表对函数发生器产生正弦信号进行测试，与理论值比较。利用示波器观察电平振荡器产生的波形频率与幅度。2测试结果： 1) 电平（电压）表测试对不同频率与幅度的正弦信号进行测试，结果如表1所示。表1电平电压表测试结果电平电压表测试结果900KHzVip-p=20V实际显示值 19.1 （db）实际显示值7.05V900KHzVip-p=2V实际显示值-0.75 （db）

13、实际显示值0.71V900KHzVip-p=200mV实际显示值-20.8（db）实际显示值71.0mV200HzVip-p=20V实际显示值19.0（db）实际显示值7.03V200HzVip-p=2V实际显示值-0.74（db）实际显示值0.70V200HzVip-p=200mV实际显示值-20.6（db）实际显示值70.8mV2) 电平振荡器测试对不同频率、不同幅值的信号，测试结果如下表：表：电平振荡器测试结果电平振荡器频率选值10Hz100KHz2MHz理论选值Vop-p=2.19V 实际输出2.24V实际输出2.20V实际输出2.01V理论选值69.3mV 71.3mV 72.4mV

14、 82.7mV理论选值219mV(-20db)6.93V(10db)21.9V(20db)不同频率段实际输出值f10Hz240mV7.12V23V100KHz237mV6.81V22.8V2MHz203mV6.5V21.3V3) 结果分析测试结果表明综合测量仪的主要指标达到要求。电平表具有自动量程转换功能，当被测信号频率在20 Hz1MHz，有效值在-57.8dB+20.0 dB内时，能够实现在较小误差范围内的自动切换量程测量；电平振荡器在10Hz2MHz的频率范围内实现了任意频率的设置，以及在不同频率段分别以10Hz、100Hz、1KHz和100Khz的频率步进，30dB20dB 内步进为10dB的电平输出，在该范围内各级电平都能得到较好的正弦波。五、小结测试结果表明本装置完成了题目的要求。电平振荡器的输出带宽大，幅频响应所带来的非线性失真也被有效的降低，达到了设计的要求，但电路采用电阻分压衰减信号，在低