低頻掃頻儀的設(shè)計(jì)與制作

 1低頻掃頻儀的設(shè)計(jì)與制作1 引言　　      當(dāng)今世界，電子科技飛速發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化，影響著人們的衣、食、住、行。但現(xiàn)有電子科研實(shí)驗(yàn)室缺少頻率在1MHz以下的掃頻儀器，嚴(yán)重阻礙了科研人員的創(chuàng)作速度。語音信號(hào)要進(jìn)行數(shù)字處理時(shí)，首先必須經(jīng)過采樣、量化、編碼，由Nyquist采樣定理可知，若要無失真地重建原始信號(hào)，采樣頻率必須大于或等于原始信號(hào)最高頻率的兩倍（Ws≥2Wh），否則采樣信號(hào)的頻譜將會(huì)發(fā)生混疊，此時(shí)，無法恢復(fù)原始信號(hào)，顯然原始信號(hào)的頻率Wh越低，采樣頻率Ws也越低，數(shù)碼率也就越低，并可大大減少存儲(chǔ)空間和信息傳輸速率，于是，可以在采樣之前使原始信號(hào)通過一個(gè)低通濾波器，只允許低于Ws／2的頻率分量通過，而將更高的頻率分量濾除。由語音信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)可知，在采樣前可通過帶通濾波將語音信號(hào)的頻帶限制在300Hz～3400Hz范圍內(nèi)。無疑，在以上這一系列語音信號(hào)處理過程中，缺少不了1MHz以下的掃頻儀器，特別是進(jìn)行300Hz～3400Hz帶通濾波器的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)時(shí)，在調(diào)整與測試過程中必須使用低頻掃頻儀進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)。
2 方案的設(shè)計(jì)與論證根據(jù)上述要求，我們可有以下三種設(shè)計(jì)方案：（1）借助實(shí)驗(yàn)室的低頻信號(hào)發(fā)生器與示波器，
用人工的方法進(jìn)行定點(diǎn)描測，即由低頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)一個(gè)的頻率點(diǎn)輸送到被測電路，其輸出接到示波器，觀測它的各個(gè)頻率點(diǎn)的衰減幅度，并記錄下來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。　 （2）以單片機(jī)為核心，外圍頻率合成器、整流濾波、A／D轉(zhuǎn)換、液晶顯示、鍵盤控制等部分進(jìn)行智能全自動(dòng)化綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工作原理后文詳述，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

（3）以DSP芯片為核心，對(duì)外圍寬帶信號(hào)發(fā)生器、寬帶信號(hào)接收器、液晶顯示屏、控制面板等部分進(jìn)行智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其基本工作原理是：由信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生一個(gè)從20Hz～2MHz的寬帶信號(hào)輸送到被測電路，其輸出接到信號(hào)接收單元，再由DSP芯片進(jìn)行頻譜分析，掃頻結(jié)果由液晶顯示直觀地顯示出來，鍵盤采用輕觸開關(guān)控制掃頻范圍、輸出／輸入信號(hào)衰減dB值等設(shè)置，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。顯而易見，方案1是一種傳統(tǒng)的人工方案，測試麻煩，速度慢，工作效率低，不符合現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；方案2、3均是全自動(dòng)化儀設(shè)計(jì)方案，方案3比方案2的測試性能、精度指標(biāo)要好，但方案2的成本低廉，易于生產(chǎn)，因此我們選擇方案2。

3 掃頻儀的工作原理
在電子測量中，經(jīng)常遇到對(duì)網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性和傳輸特性進(jìn)行測量的問題，其中傳輸特性包括增益和衰減特性、幅頻特性、相頻特性等。用來測量前述特性的儀器我們稱為頻率特性測試儀，簡稱掃頻儀。它為被測網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整，校準(zhǔn)及故障的排除提供了極大的方便。　　 掃頻儀一般由掃描鋸齒波發(fā)生器、掃頻信號(hào)發(fā)生器、寬帶放大器、頻標(biāo)信號(hào)發(fā)生器、X軸放大、Y軸放大、顯示設(shè)備、面板鍵盤以及多路輸出電源等部分組成。其基本工作過程是通過電源變壓器將50Hz市電降壓后送入掃描鋸齒波發(fā)生器，就形成了鋸齒波，這個(gè)鋸齒波一方面控制掃頻信號(hào)發(fā)生器，對(duì)掃頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻，另一方面該鋸齒波送到X軸偏轉(zhuǎn)放大器放大后，去控制示波器X軸偏轉(zhuǎn)板，使電子束產(chǎn)生水平掃描。由于這個(gè)鋸齒波同時(shí)控制電子束水平掃描和掃頻振蕩器，因此電子束在示波管熒光屏上的每一水平位置對(duì)應(yīng)于某一瞬時(shí)頻率。從左向右頻率逐漸增高，并且是線性變化的。掃頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的掃頻信號(hào)送到寬帶放大器放大后，送入衰減器，然后輸出掃頻信號(hào)到被測電路。為了消除掃頻信號(hào)的寄生調(diào)幅，寬帶放大器增設(shè)了自動(dòng)增益控制器（AGC）。寬帶放大器輸出的掃頻信號(hào)送到頻標(biāo)混頻器，在頻標(biāo)混頻器中與1MHz和10MHz或50MHz晶振信號(hào)或外頻標(biāo)信號(hào)進(jìn)行混頻。產(chǎn)生的頻標(biāo)信號(hào)送入Y軸偏轉(zhuǎn)放大器放大后輸出給示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)板。掃頻信號(hào)通過被測電路后，經(jīng)過Y軸電位器、衰減器、放大器放大后送到示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)板，得被測電路的幅頻特性曲線。
4 硬件設(shè)計(jì)
4．1硬件組成　　 本系統(tǒng)的硬件部分由CPU（89C51）、頻率合成器（MC145151－1）、整流濾波、A／D轉(zhuǎn)換（ADC0 809）、液晶顯示、輕觸鍵盤等單元組成，系統(tǒng)方框圖如圖1所示。鍵盤控制掃頻范圍，由單片機(jī)輸送14位數(shù)據(jù)至MC145151－1控制壓控振蕩器（VCO）的振蕩頻率，該頻率經(jīng)被測電路后至整流濾波，再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換回送到CPU。VCO的振蕩頻率在掃頻范圍內(nèi)由低頻端至高頻端至低頻端比較緩慢地循環(huán)變化，與此同時(shí)，由CPU控制A／D轉(zhuǎn)換時(shí)序，然后再由軟件轉(zhuǎn)換成液晶顯示代碼顯示出來。
4．2鎖相頻率合成電路　　 該單元是本機(jī)工作的關(guān)鍵部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。合成頻率步長Fr設(shè)定為掃頻范圍的1／128，掃頻范圍最大可為20Hz～2MHz，顯然，掃頻范圍越小，掃頻精度越高。

目前市場上的頻率合成器集成電路很多，我們選用摩托羅拉公司的MC145151。該芯片是一塊14位并行碼輸入的單模、單片鎖相環(huán)頻率合成器，片內(nèi)含有參考振蕩器、參考分頻器、鑒相器、可編程分頻器等部件，最大可變分頻比為16383，最高工作頻率為30MHz，能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。在鎖相環(huán)路中，環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)是十分重要的。本系統(tǒng)采用無源比例積分濾波器，其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、調(diào)試方便。
4．3整流濾波電路　　 整流電路的任務(wù)是將從被測電路接收到的正弦波信號(hào)變換成直流電。完成這一電路主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔茫�因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率整流電路中，常見的幾種整流電路有半波、全波、橋式和倍壓整流電路。為了保證被測信號(hào)的完整性，我們采用了橋式整流電路，如圖4所示。

濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，濾波電路有很多分類方法。常用的結(jié)構(gòu)有C型濾波電路、倒L型濾波電路、π型濾波電路。比較以上幾種濾波器，我們選用電路較簡單、性能較好的π型濾波　　電路。
4．4A／D轉(zhuǎn)換電路　　 A／D轉(zhuǎn)換器的作用是把輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式,使得CPU能夠處理從被測電路接收到的模擬信號(hào)。因A／D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用范圍極廣,故其轉(zhuǎn)換芯片品種及類型很多,常見的有ADC0809、ADC570、ADC574、ADC1210、ADC0804、5G14433等多種集成電路。我們選用ADC0809集成轉(zhuǎn)換器，它是一個(gè)八通道多路開關(guān)、單片CMOS模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個(gè)通道均能轉(zhuǎn)換出8位數(shù)字量，它是逐次逼近比較型轉(zhuǎn)換器，包括一個(gè)高阻抗斬波比較器、一個(gè)帶有256個(gè)電阻分壓器的樹狀開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)控制邏輯環(huán)節(jié)和八位逐次逼近數(shù)碼寄存器，最后輸出級(jí)有一個(gè)八位三態(tài)輸出鎖存器。　　 為了保證掃頻精度，在A／D轉(zhuǎn)換器之前必須加上采樣和保持電路，這是因?yàn)閺哪�擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間，在轉(zhuǎn)換時(shí)，信號(hào)應(yīng)保持穩(wěn)定。采樣保持電路如圖5所示。

4．5液晶顯示電路　　 液晶顯示器（LCD）是一種被動(dòng)式顯示器，由于它的功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、顯示界面效果良好，因而在低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)中大量使用。　　 目前市面上的LCD顯示屏種類繁多，我們選購了長沙太陽人電子有限公司生產(chǎn)的SMG12232B－2LCM產(chǎn)品。其顯示容量是122×32點(diǎn)陣，芯片工作電壓是4．5～5．5V，工作電流是5mA（5．0V），它有16只引腳、八位數(shù)據(jù)線。

4．6輕觸鍵盤部分　　 控制面板是儀器的必要組成部分，它和顯示輸出設(shè)備一樣，均是操作人員與儀器交互的窗口，也是系統(tǒng)與外界聯(lián)系的紐帶和界面。一個(gè)安全可靠的應(yīng)用系統(tǒng)必須具有方便靈活的交互功能，它既能及時(shí)反映系統(tǒng)運(yùn)行的重要狀態(tài)，又能在必要時(shí)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)。　　 　　 鍵盤接口按不同標(biāo)準(zhǔn)可有不同分類方法，按鍵盤排布方式可分成獨(dú)立方式和行列方式；按讀入鍵值的方式可分成直讀方式和掃描方式；按是否進(jìn)行硬件編碼可分成非編碼方式和硬件編碼方式；按CPU響應(yīng)方式可分成中斷方式和查詢方式。我們選用結(jié)構(gòu)簡單、易于處理的行列掃描非編碼中斷方式鍵盤。電路原理圖如圖6所示。

片機(jī)控制臺(tái)　　 單片機(jī)（CPU）是整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心，也是整個(gè)硬件部分的總結(jié)，它由后述軟件驅(qū)動(dòng)各個(gè)控制單元。CPU的種類繁多，GI、Rockwell、Intel、Zilog、Motorola、NEC等世界大計(jì)算機(jī)公司都紛紛推出自己的單片機(jī)系列。我們選取最常用的Intel公司生產(chǎn)的MCS－51系列中的AT89C51芯片，它有40只引腳、8位數(shù)據(jù)線、16位地址線、4KBROM、128ByteRAM、兩個(gè)外中斷、兩個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器、一個(gè)可編程全雙工串行口、共32條可編程的I／O線。　　 中斷式鍵盤的中斷信號(hào)線連到CPU的外中斷INT0，它的行列掃描線由P1口產(chǎn)生。MC145151、ADC0809、SMG12232B－2 LCM的片選信號(hào)由高8位地址線產(chǎn)生。由于MC145151有14位數(shù)據(jù)線，而AT89C51輸出只有8位數(shù)據(jù)線，我們將CPU分兩次送出，先送低字節(jié)，后送高字節(jié)（稱右對(duì)齊）。相應(yīng)的接口電路設(shè)置兩個(gè)鎖存器，分別鎖存高字節(jié)和低字節(jié)。ADC0809采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，其中斷信號(hào)線連到CPU的外中斷INT1。
5 軟件設(shè)計(jì)　　 本系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，由匯編語言A51編寫，共分為主程序（MAIN）、外中斷0子程序（INT00）、外中斷1子程序（INT11）、掃頻信號(hào)產(chǎn)生子程序（SPXHCS）、液晶顯示子程序（LCDSSEE）等幾大模塊。　　 在主程序中設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)指針R7，代表在掃頻范圍內(nèi)從低頻端到高頻端步進(jìn)。當(dāng)R7計(jì)數(shù)完畢時(shí)，重新賦值R7，并返回查找鍵值，若鍵值不變，則掃頻各個(gè)參數(shù)均不變地再進(jìn)行掃頻；若鍵值有所改變，則計(jì)算相應(yīng)的掃頻參數(shù)重新掃頻，如此反復(fù)循環(huán)。
中斷0子程序作為鍵盤掃描子程序，該程序采用一種新的設(shè)計(jì)方法，即在初始化CPU時(shí)，預(yù)先向P1口送數(shù)據(jù)＃0FH，若有鍵按下，則列線有一根變?yōu)榈碗娖健?”，列線與門也輸出低電平“0”，此時(shí)產(chǎn)生中斷；否則若沒鍵按下，則所有列線均為高電平“1”，列線與門也輸出高電平“1”，不產(chǎn)生中斷。在中斷子程序中，將P1口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到累加器A中，并“或”上＃0F0H，又轉(zhuǎn)移到P1口，此時(shí)就可將P1口中的數(shù)據(jù)作為鍵值，程序框圖略。　　 外中斷1子程序作為掃頻Y軸掃描子程序，當(dāng)該程序產(chǎn)生中斷時(shí)，隨即讀取ADC0809中的數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)換成液晶顯示代碼。顯示代碼的轉(zhuǎn)換采用查表指今的方法，在程序末尾建立一個(gè)顯示代碼表格。程序框圖略。　　 掃頻信號(hào)產(chǎn)生子程序并不負(fù)責(zé)產(chǎn)生掃頻信號(hào)，它只送出14位數(shù)據(jù)給MC145151芯片。掃頻信號(hào)由硬件頻率合成器產(chǎn)生和校準(zhǔn)。由于MC145151是14位數(shù)據(jù)線，而AT89C51是8位數(shù)據(jù)線，在軟件設(shè)計(jì)中采用右對(duì)齊的方式分兩次送數(shù)，即先送低8位，然后送高8位，在硬件設(shè)計(jì)中采用兩級(jí)數(shù)據(jù)鎖存器。程序框圖略。　　 液晶顯示子程序分三個(gè)步驟：第一步進(jìn)行液晶片“忙”檢測；第二步進(jìn)行內(nèi)部寫數(shù)據(jù)指針定位；第三步進(jìn)行寫顯示代碼數(shù)據(jù)。在以上三步中，關(guān)鍵的一步是第二步內(nèi)部寫數(shù)據(jù)指針定位，定位指針受X軸和Y軸掃頻同時(shí)控制。程序框圖略。
6 系統(tǒng)擴(kuò)展功能
由于本系統(tǒng)包含高精度的模／數(shù)轉(zhuǎn)換，可在軟件設(shè)計(jì)中稍加修改，運(yùn)用采樣示波器的原理，完成示波器的功能。且該示波器可以測量周期長、變化緩慢的信號(hào)，例如溫度的變化、氣候的變化等參量。