摘 要： 以低频网络为分析对象，采用数字式扫频的方法设计了低频扫描分析仪系统。系统主要由微控制器、扫频信号源、低通滤波器、幅度控制和峰值检波5个模块组成。其中扫频信号源以DDS专用芯片AD9833为核心构成，峰值检波采用运算放大器和分立元件构成。系统软件采用C语言编写，能方便地进行修改和移植。经过测试，系统在50 Hz到20 kHz频率范围内能够对被测网络的增益及±3 dB的带宽进行测量，最小扫频频率步进可以达到0.1 Hz，测量误差小于5%并能实现自动增益控制。
0 引言
在电子测量中，经常遇到对未知网络的传输特性进行测量的问题，其中传输特性包括增益、衰减特性、幅频特性等。而且很多时候，对于被测量系统，无法知道其电路的详细结构和准确参数。此时，只能将待测电路作为黑箱来处理，然后通过输入、输出的传递函数来描述系统的内在特性。扫频仪就是用来测量前述黑箱传输特性的仪器，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。目前，国内低频扫频仪产品较少、价格较高，而且大多依然采用传统的模拟显示方式。这样既不方便，也很难读准确，而且很多扫频仪由于没有增益可调网络，因此量程较小[1]。另外传统的扫频仪扫频范围广、实时性高，但由于其扫频信号的产生通常通过频谱搬移的方法，这造成了结构复杂，性能不佳，价格昂贵等缺点[2]，很多时候只能在低频段使用扫频仪，因此值得去研究一种更简单和适合工作于低频段的扫频仪。本文研究并设计了一种新颖的频率特性测量系统。系统通过单片机C8051F020控制直接频率合成（DDS）芯片AD9833直接产生扫频信号，通过被测网络后再由单片机A/D 转换进行峰值采样，最后对数据处理后由液晶输出扫频曲线。系统采用直接数字频率合成器的基本优点是在微处理器的控制下，能够准确而快捷地调节输出信号的频率、相位和幅度。此外，DDS具有频率和相位分辨率高、频率切换速度快、易于智能控制等突出特点，同时也解决了传统扫频仪性能不佳的问题。
1 低频扫描仪的系统实现
通过参考文献[3-5]可知，扫频仪的设计关键在于扫频信号源和检波器的设计。根据选用数字控制芯片的不同可以分为动态测量法和稳态测量法。对于前者，可选用DSP控制器，但是价格比较昂贵；后者选用单片机控制即可。考虑到成本问题，在本设计中选用稳态测量法设计。稳态测量法的原理框图如图1所示。该方法是运用响应信号与输入信号的幅值比来反映网络的幅频特性。本方案由微控制器C8051F020控制DDS扫频源产生扫频信号，经低通滤波器平滑滤波后，再由多路模拟开关和运算放大器来控制信号的幅度，最终产生幅度可控的扫频信号。扫频信号经过被测网络后，通过峰值检波电路可以得到扫频信号实时的峰峰值。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，最后由微控制器处理将计算结果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 低频扫描仪系统的软硬件设计
2.1 供电电路设计
根据系统性能的要求，需要设计±5 V和+3.3 V的直流稳压电源，而且要求电源的纹波应尽量小，以减少对输出信号的干扰。电源采用桥式全波整流、大电容滤波和三端稳压器件稳压的方法产生±5 V和+3.3 V直流电压，固定输出的三端稳压芯片为LM7805和LM7905。稳压管的输出通过电容和电感滤波；数字部分与模拟部分用电感隔离，这样就可以得到纹波系数很小的直流电压，其中±5 V供电具体电路如图2所示。
2.2 扫频信号电路设计
为产生任意波形，使用了直接数字频率合成技术（DDS），在这里采用DDS专用芯片AD9833，它具有频率转换时间短、频率分辨率高、频率稳定度高、输出相位连续、相位噪声低、可编程、频率步进小、全数字化和功耗低等优点。其最高输出频率是12.5 MHz，主频时钟为25 MHz时，精度达到0.1 Hz，完全满足系统的要求。AD9833通过SPI总线接口可以方便地与单片机连接，同时AD9833外围电路少，调试简单，符合本设计要求。要产生正弦信号，本部分电路使用25 MHz有源晶振作为系统时钟（MCLK），同时通过0.1 ?滋F和4.7 ?滋F的电容滤掉输出信号中的直流成分。Ne5532是TI公司的一款高性能运算放大器，其增益带宽积为10 M，压摆率达到13 V/?滋s，连接成同相放大方式作为缓冲输出，以增强信号源的输出能力。同时，外接50 Ω电阻保证连接板的热插拔[6]。具体电路如图3所示。
2.3 低通滤波电路设计
图4是二阶低通滤波器电路，截至频率为30 kHz，其中R9=R10=R，C15=C16=C。令：
通过计算可知滤波器传输函数为：
通过以上计算知道，该滤波器对高频信号衰减满足系统要求。另外由相关理论知识可知，当Q值为0.707时滤波器在通带的平坦性最好。根据系统的要求，设定Q值为0.707，此时，AVF=1.585。取Rf =30 k
，可得R1=51 k
。又因截止频率为30 kHz，取R=15 k
，C=270 pF，c=1/RC≈30 kHz。
2.4 增益控制电路设计
由于被测网络中包含有源网络、无源网络，而且本课题要求的增益范围为-20 dB-+20 dB，要保证扫频信号通过待测电路后不发生失真，同时使得输入到ADC的信号能在可测量的范围内，就必须对信号进行不同规模的放大或衰减。本系统采用电阻网络结合运放的方式来达到程控衰减的目的。扫频信号输出峰-峰值为1 V，而待测网络最大增益20 dB，因此在信号输入到待测网络前需进行程控衰减。本系统的ADC采用单片机内部集成的AD转换器，该转换器最高输入电压是3.3 V，因此设计成两次信号衰减。信号衰减采用电阻网络和模拟开关配合来实现。MAX4711是美信公司生产的双四通道模拟开关，其导通内阻为16 Ω，开关速度80 ns。支持CMOS和TTL电平，因此符合设计要求。电阻网络增益范围为-12 dB~+14 dB（-4～+5倍），输入到AD转换器的电压为0.5 V～2.5 V，符合AD的输入要求[7]，其具体电路如图5所示。
2.5 峰值检波电路设计
图6为峰值检波电路的原理图，其中，交流信号从运放的3脚输入，根据运放的虚短法则引脚2具有与引脚3同样的波形；U1B是电压跟随器，引脚7的电压幅值与电容C1上的电压相同。当引脚3的电压大于电容C1电压时，电阻R1上产生压降，电流从左到右。根据运放的虚断法则引脚2不能提供电流，并且D1反偏也不会导通。为了维持平衡只有提升R1右端的电压（即电容C1的电压），这个充电电流从U1A的引脚1经过D2进行。当引脚3的电压低于电容C1电压时，电阻R1上产生压降，电流从右到左。根据运放的虚断法则引脚2不能提供电流，则这个电流只有经过D1进入U1A。由于电压跟随器输出电压与电容C1上的电压相同，二极管D2截止，电容不能导过D2放电，电压得到保护。
2.6 系统控制算法软件实现
系统软件设计的思想是采用模块化程序设计方法，良好的软件流程不仅可以减少扫描时间更可以保证系统的稳定性。因此将系统软件划分为信号源模块、AD采样和人机对话3个模块。全部原代码均使用标准C语言编写，并附带有详细的注释，增加了本系统软件的可读性和可移植性[8]。主程序流程图如图7所示。
3 实验结果及分析
3.1 技术指标
基本测试频率范围为50 Hz～20 kHz；测试出±3dB带宽，测量精度优于5%；所测电压增益范围为-20 dB~+20 dB；被测网络的电压传输增益测量精度优于5%。
3.2 测量结果及分析
在电路班焊接完毕之后，首先核对器件有无焊错，特别是电容正负极和芯片不要焊反。然后使用万用表测量电源电路和信号线有无短路现象。这一步非常重要，为后续步骤提供重要保障。确认无误后，连通信号板的电源，使用示波器检测有源晶振的输出是否为25 MHz，并观察波形是否失真。测试表明，晶振输出正常。下一步将信号板与单片机连接，运行信号程序，用示波器观测信号输出测试点输出信号是否符合设定值。表1所示为信号源在各个设定的频率输出及误差分析。从表1可以看出，实际输出频率与设定频率误差非常小，基本可以忽略不计，为后续参数测量的成功奠定了基础。
通过函数信号发生器依次输入频率为10 Hz～30 kHz以及峰-峰值为0.5 V的正弦信号，观察通过低通滤波器后的信号峰值，记录如表2所示。由表2可知，该低通滤波器在20 Hz到20 kHz的测量误差均小于5%，精度满足设计要求。
峰值检测分两步进行，首先从测试点依次输入Vp-p为0.5 V~3 V的1 kHz正弦信号，在输出端测量电压峰值并记录。然而依次从测试点输入频率为50 Hz到 20 kHz，峰值为1 V的正弦信号，在输出端测量记录，结果如表3所示。从表3可以看出，峰值检测电路在不同频率、不同电压幅度下均能很好地工作，测量误差小于5%，达到系统对误差设计的要求。
4 结论
本文设计了基于单片机C8051F020的数字控制低频扫描仪，完成了扫频信号、增益控制、峰值检测部分的硬件电路和软件程序设计。系统设计完成后对各个部分进行功能测试。测试结果表明，本系统完全满足技术指标的要求。在设计过程中，发现采用的C8051单片机工作频率有限，导致扫描时间过长，因此在改进该系统时可以考虑采用ST32等主频更高的嵌入式芯片来实现。另外液晶显示部分可以考虑采用分辨率更高的LCD来显示，这样对于幅频特性显示效果更好。
参考文献
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[2] 谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].武汉：华中科技大学出版社，2000.
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[4] 朱江乐，蒋东方，李俊华.基于虚拟仪器的低频扫频仪设计[J].科学技术与工程，2008，8（6）：1580-1582.
[5] 刘旺锁，吉顺祥，陈冬.基于虚拟仪器的扫频仪的设计与实现[J].电子测量技术，2007，30（9）：78-80.
[6] 潘勇先.基于DDS技术的雷达波形发生器的研究[D].西安：西安电子科技大学，2004.
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