頻率特性測試儀設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告(國賽一等獎)

頻率特性測試儀設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告

作者：仇飛、徐川川、王雅灝摘要：

本設(shè)計(jì)以ARM紅牛開發(fā)板作為整個系統(tǒng)的控制核心，通過軟件產(chǎn)生頻率線性變化的正弦波，并將其提供給被測網(wǎng)絡(luò)測試。變化前后正弦波使用軟件測試，并計(jì)算其幅頻特性和相頻特性。使用阻容雙T網(wǎng)絡(luò)制作被測網(wǎng)絡(luò)。關(guān)鍵詞：

ARM開發(fā)板、阻容雙T網(wǎng)絡(luò)、加法器。

一、方案論證與選擇

總體方案設(shè)計(jì)：根據(jù)題目要求，頻率特性測試儀的功能是能夠?qū)⑤敵隹烧{(diào)正弦波給被測電路，并測量經(jīng)過測量電路后正弦波的變化，從而得出幅頻特性和相頻特性。

①方案一：信號源采用RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生信號。用R、C元件組成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路為RC正弦波振蕩電路，該電路適于產(chǎn)生1Hz~1MHz范圍內(nèi)的低頻信號。振蕩頻率由R、C值決定。需要改善輸出電壓幅度的穩(wěn)定問題，在放大電路的負(fù)反饋回路里采用非線性元件來自動調(diào)整反饋的強(qiáng)弱來維持輸出電壓恒定。所需信號源為頻率連續(xù)變化信號，因此要隨時(shí)改變R、C值進(jìn)而改變輸出信號頻率。將產(chǎn)生的信號送至被測網(wǎng)絡(luò)，變化后的信號和變化前信號同時(shí)送至集成有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637計(jì)算其有效值，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，再使用模擬除法器得到其幅頻特性。該方案電路結(jié)構(gòu)簡單造價(jià)低，不需軟件調(diào)試。但對于測量相頻特性較為困難。原理框圖如圖一所示。

②方案二：使用DDS芯片AD9834產(chǎn)生正弦波信號，產(chǎn)生正弦波頻率最高可到25MHz。AD9834是由28位的相位累加器、正弦只讀存儲器和一個10位的DA構(gòu)成的數(shù)字控制式振蕩器。利用直接數(shù)字合成技術(shù)，和AD9834內(nèi)部的兩個頻率寄存器、FSK技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單周期內(nèi)的頻率切換，以及占空比調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)。通過外部引腳控制或控制字控制頻率寄存器和相位寄存器調(diào)節(jié)輸出，可以改變輸出波形種類。原理圖如下。

圖一：方案一原理框圖

圖二：方案二原理框圖

③方案三：使用ARM通過軟件編程產(chǎn)生連續(xù)正弦波且頻率在100Hz到100KHz內(nèi)連續(xù)變化。信號通過阻容雙T網(wǎng)絡(luò)后，再將其送至ARM將兩路信號通過軟件計(jì)算后得到幅頻與相頻特性。直接使用軟件產(chǎn)生信號既減少了大量的線路連接，又降低了干擾，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方便性能穩(wěn)定而且方便兩路信號比較，方便計(jì)算頻率特性。

圖三：方案三原理框圖

方案選擇：方案一輸出信號連續(xù)頻率在要求范圍內(nèi)連續(xù)可變較難達(dá)到而且不易實(shí)現(xiàn)步進(jìn)為10Hz的頻率變化，需要對其輸出電壓穩(wěn)定幅值。方案二需要軟件與硬件結(jié)合，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。故考慮選擇方案三。

二、系統(tǒng)原理及框圖

三、單元電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算

1.信號源

①電路功能介紹

使用ARM紅牛開發(fā)板通過軟件編程產(chǎn)生100Hz~100KHz正弦波信號，頻率步進(jìn)10Hz。ARM不可產(chǎn)生帶有負(fù)電位的信號，故通過軟件產(chǎn)生的正弦信號有直流分量。使ARM產(chǎn)生頻率為100KHz正弦波信號，需要改善其取點(diǎn)問題，才可使實(shí)現(xiàn)最高頻率到達(dá)100KHz的輸出信號。②軟件設(shè)計(jì)思想③軟件流程圖2.阻容雙T

①電路功能介紹

阻容雙T電路為帶阻濾波電路，用來抑制或衰減某一頻段的信號，而讓該頻段以外的信號通過。理想帶阻濾波器電路的頻率響應(yīng)在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定的幅值和線性相移，而在阻帶內(nèi)其幅值應(yīng)為零。但實(shí)際濾波器不能達(dá)到理想要求，所以只能對其帶阻內(nèi)信號有所衰減，不能消除。根據(jù)題目要求中心頻率為5KHz。②器件選擇參數(shù)計(jì)算運(yùn)放選擇：為了減少運(yùn)放對濾波電路的負(fù)載效應(yīng)，同時(shí)便于調(diào)整，選擇LF351。LF351具有JFET做輸入級的低失調(diào)、高輸入阻抗運(yùn)放。LF351參數(shù)：輸入偏置電流：25pA；輸入偏置電壓：5.0mV；壓擺率：13V/μS；

單位增益帶寬積：4MHz。f05KHz,02f0，1取C102,R31.83K；RC取R240+15K+16K；又0Q50Rf150A01.990.99；22A0R1若R110K,若Rf9.9K；實(shí)際測量值為R19995，Rf9898。

③電路改善:

按上述計(jì)算結(jié)果選擇器件，實(shí)際測得中心頻率不等于4.8KHz，不符合理論計(jì)算結(jié)果。因電容存在誤差，使得結(jié)果偏離。故，使用電阻電容測量儀，精確測得電容電阻值，加入電路，從而獲得較為準(zhǔn)確的中心頻率。④電路原理圖：

圖：阻容雙T電路原理圖

3.信號處理

①電路功能介紹

使用ARM軟件產(chǎn)生的正弦信號帶有直流分量，其谷值為高于零電位的電平，若將其通過阻容雙T網(wǎng)絡(luò)，則需要將該正弦信號的直流分量去除，因此將從ARM中產(chǎn)生的正弦信號加隔直電容，去掉其直流分量，使得輸出正確的正弦波。信號去除直流分量后，將通過阻容雙T網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波，將信號頻率在5KHz中心頻率，帶寬為100Hz范圍的信號去除。經(jīng)過阻容雙T網(wǎng)絡(luò)后的信號將通過ARM的GPIO口送給ARM與ARM產(chǎn)生的正弦信號通過軟件計(jì)算比較，從而得到其幅頻特性和相頻特性。由于ARM只可識別低于3.3V的低電平，因此，要將經(jīng)過阻容雙T網(wǎng)絡(luò)后的信號進(jìn)行偏置，轉(zhuǎn)換為全部為高于零電位的電信號。加法器第一級為分壓電路，降低電壓復(fù)制，為防止后級送給ARM的信號最大值高于3.3V，將ARM燒壞。加法器第二級為電壓跟隨器，將前后級電路隔離，防止前后電路干擾，造成影響。加法器第三級是主要偏置部分，使用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)偏置。將信號輸入運(yùn)放同相端，并加入限流電阻。偏置電壓加在運(yùn)算放大器的同相端，將同相端電壓提升，可實(shí)現(xiàn)輸出信號與輸入信號對比，信號電壓被全部提高，從而可以將信號送至ARM，進(jìn)行處理。ARM產(chǎn)生的信號通過隔直和阻容雙T網(wǎng)絡(luò)后，需要對其處理才可以再次送給ARM處理，為避免信號處理中產(chǎn)生延遲等現(xiàn)象，所以需要將不經(jīng)過阻容雙T網(wǎng)絡(luò)的信號進(jìn)行同樣的信號處理。

②器件選擇參數(shù)計(jì)算運(yùn)放選擇：

LM358：單位增益頻帶寬1MHz；

輸出電壓擺幅大0~Vcc-1.5V；

供電電源范圍寬：單電源供電時(shí)3~30V，雙電源供電±1.5V~±15V；低功耗電流，低輸入偏流，低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流；差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。LM324：單位增益頻帶寬1.2MHz；TL072：單位增益頻帶寬3MHz；供電電壓±15V；轉(zhuǎn)換速率高；

輸入偏置電壓3mV；

實(shí)際使用時(shí)，LM358和LM324在頻率變高時(shí)，信號跟隨部分出現(xiàn)失真，因其壓擺率不滿足，故使得輸出有誤，所以選擇低噪聲JFET輸入運(yùn)算放大器TLO72作為信號處理部分運(yùn)放。③特殊器件介紹④電路原理圖

圖：信號處理電路原理圖

4.頻率特性測試①測試方法概述

幅頻特性為信號在經(jīng)過濾波器后放大倍數(shù)的大小和頻率之間的關(guān)系。將兩路信號送至ARM，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換以后，通過積分法計(jì)算出對應(yīng)平率下的有效值，求得比值，即幅頻特性。相頻特性為輸入信號和輸出信號的相位差與頻率之間的關(guān)系，將A/D轉(zhuǎn)換后的值仍用積分法算出其功率因數(shù)后可得到相位差。②軟件設(shè)計(jì)思想③軟件流程圖④。。。

四、軟件設(shè)計(jì)流程五、測試方法和結(jié)果

1.計(jì)算幅頻相頻特性繪制相位曲線

j2j2AVF1A0100Aj22jj1jj122AVF100Q00

計(jì)算得幅頻特性和相頻特性：

A0222A012220Q0242120Q0jarctgQ012/02

頻率相位曲線如下：

Aj2.測試儀器

PC機(jī)，一臺；

SDS1102FL數(shù)字雙蹤示波器一臺；YB4340模擬雙蹤示波器一臺；

WY-12±5V、±12V、0~+32V穩(wěn)壓源一臺；XJ1643-02函數(shù)信號發(fā)生器一臺；MF47T萬用表一支。3.測試結(jié)果測試項(xiàng)目基本要求發(fā)揮要求制作頻率特性測試儀頻率范圍100-100KHz頻率步進(jìn)10Hz頻率穩(wěn)定度10^-4測量精度5%自動步進(jìn)測量，手動預(yù)置范圍頻率電壓顯示打印輸出制作被測網(wǎng)絡(luò)阻容雙T中心頻率5K帶寬±50Hz相位度數(shù)顯示測量精度3°符號顯示幅頻特性使用示波器顯示同時(shí)顯示幅頻相頻使用示波器顯示其它電路測試結(jié)果實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)f5位，v3位未實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)4.95K±100Hz實(shí)現(xiàn)2°符號實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)觸屏鍵盤可實(shí)現(xiàn)任意步進(jìn)，測量范圍。雙蹤波形顯示，相頻特性及幅頻特性顯示及范圍調(diào)節(jié)。4.結(jié)果分析六、設(shè)計(jì)總結(jié)

七、參考文獻(xiàn)八、附

擴(kuò)展閱讀：201*年全國電子設(shè)計(jì)大賽題目簡易頻率特性測試儀(E題)

201*年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽試題

參賽注意事項(xiàng)

（1）9月4日8:00競賽正式開始。本科組參賽隊(duì)只能在【本科組】題目中任選一題；高職

高專組參賽隊(duì)在【高職高專組】題目中任選一題，也可以選擇【本科組】題目。（2）參賽隊(duì)認(rèn)真填寫《登記表》內(nèi)容，填寫好的《登記表》交賽場巡視員暫時(shí)保存。（3）參賽者必須是有正式學(xué)籍的全日制在校本、�？茖W(xué)生，應(yīng)出示能夠證明參賽者學(xué)生身

份的有效證件（如學(xué)生證）隨時(shí)備查。（4）每隊(duì)嚴(yán)格限制3人，開賽后不得中途更換隊(duì)員。

（5）競賽期間，可使用各種圖書資料和網(wǎng)絡(luò)資源，但不得在學(xué)校指定競賽場地外進(jìn)行設(shè)計(jì)

制作，不得以任何方式與他人交流，包括教師在內(nèi)的非參賽隊(duì)員必須避，對違紀(jì)參賽隊(duì)取消評審資格。（6）9月7日20:00競賽結(jié)束，上交設(shè)計(jì)報(bào)告、制作實(shí)物及《登記表》，由專人封存。

簡易頻率特性測試儀（E題）

【本科組】

一、任務(wù)

根據(jù)零中頻正交解調(diào)原理，設(shè)計(jì)并制作一個雙端口網(wǎng)絡(luò)頻率特性測試儀，包括幅頻特性和相頻特性，其示意圖如圖1所示。

Acost正交掃頻信號源Asint

低通ADCI測量被測網(wǎng)絡(luò)低通ADCQ顯示

圖1頻率特性測試儀示意圖二、要求1．基本要求

制作一個正交掃頻信號源。

（1）頻率范圍為1MHz~40MHz，頻率穩(wěn)定度≤10-4；頻率可設(shè)置，最小設(shè)置

單位100kHz。

（2）正交信號相位差誤差的絕對值≤5，幅度平衡誤差的絕對值≤5%。

E1/4

（3）信號電壓的峰峰值≥1V，幅度平坦度≤5%。

（4）可掃頻輸出，掃頻范圍及頻率步進(jìn)值可設(shè)置，最小步進(jìn)100kHz；要求

連續(xù)掃頻輸出，一次掃頻時(shí)間≤2s。

2．發(fā)揮部分

（1）使用基本要求中完成的正交掃頻信號源，制作頻率特性測試儀。

a.輸入阻抗為50，輸出阻抗為50；

b.可進(jìn)行點(diǎn)頻測量；幅頻測量誤差的絕對值≤0.5dB，相頻測量誤差的絕對值≤5；數(shù)據(jù)顯示的分辨率：電壓增益0.1dB，相移0.1。

（2）制作一個RLC串聯(lián)諧振電路作為被測網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，其中Ri和

Ro分別為頻率特性測試儀的輸入阻抗和輸出阻抗；制作的頻率特性測試儀可對其進(jìn)行線性掃頻測量。

a.要求被測網(wǎng)絡(luò)通帶中心頻率為20MHz，誤差的絕對值≤5%；有載品質(zhì)因數(shù)為4，誤差的絕對值≤5%；有載最大電壓增益≥-1dB；b.掃頻測量制作的被測網(wǎng)絡(luò)，顯示其中心頻率和-3dB帶寬，頻率數(shù)據(jù)顯示的分辨率為100kHz；

c.掃頻測量并顯示幅頻特性曲線和相頻特性曲線，要求具有電壓增益、相移和頻率坐標(biāo)刻度。

o

R0LCRiusRou

圖2RLC串聯(lián)諧振電路

（3）其他。三、說明

1．正交掃頻信號源必須自制，不能使用商業(yè)化DDS開發(fā)板或模塊等成品，

自制電路板上需有明顯的覆銅“201*”字樣。

E2/4

2．要求制作的儀器留有正交信號輸出測試端口，以及被測網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸

出接入端口。

3．本題中，幅度平衡誤差指正交兩路信號幅度在同頻點(diǎn)上的相對誤差，定

義為：U2U1

U1

4．本題中，幅度平坦度指信號幅度在工作頻段內(nèi)的相對變化量，定義為：

UmaxUmin100%。

100%，其中U2≥U1。

Umin

uo1us2

5．參考圖2，本題被測網(wǎng)絡(luò)電壓增益�。篈v20lg

6．幅頻特性曲線的縱坐標(biāo)為電壓增益（dB）；相頻特性曲線的縱坐標(biāo)為相移

（）；特性曲線的橫坐標(biāo)均為線性頻率（Hz）。

7．發(fā)揮部分中，一次線性掃頻測量完成時(shí)間≤30s。四、評分標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目方案論證主要內(nèi)容比較與選擇方案描述系統(tǒng)原理濾波器設(shè)計(jì)ADC設(shè)計(jì)被測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)特性曲線顯示滿分2設(shè)計(jì)報(bào)告理論分析與計(jì)算7電路與程序設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)6測試方案及測試條件測試結(jié)果測試方案與測試結(jié)果完整性測試結(jié)果分析3E3/4

摘要設(shè)計(jì)報(bào)告正文的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)報(bào)告結(jié)構(gòu)及規(guī)范圖表的規(guī)范性性總分基本要求實(shí)際制作完成情況完成（1）發(fā)揮完成（2）部分其他總分

220501630450E4/4

友情提示：本文中關(guān)于《頻率特性測試儀設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告(國賽一等獎)》給出的范例僅供您參考拓展思維使用，頻率特性測試儀設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告(國賽一等獎)：該篇文章建議您自主創(chuàng)作。

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