第１７卷第２期
Ｖ０１．１７
Ｎｏ．２
电子设计工程
ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｓｉｇｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００９年２月
Ｆｅｂ．２００９
频率特性测试仪的设计
伍玉．夏新凡
（武汉大学电子信息学院，湖北武汉４３００７９）
摘要：以８９Ｃ５１单片机和ＦＰＧＡ构成的最小系统为核心，实现了一定频带范围内对一个未知四端网络的幅频特性和相频特性的测量。该系统由扫频信号发生器，幅度测量模块，相位测量模块，示波器显示模块等构成。用数字频率合成技术设计扫频信号发生器。用户通过按键测量特定频率的频率特性。扫频测量时，可以选择扫频输出信号的下限和上限以及步进值。示波器显示出幅频和相频的曲线。界面友好。
关键词：系统频率响应；频率特性测试仪；扫频测试法；现场可编程门阵列
中图分类号：删９３５
文献标识码：Ａ文章编号：１００６－－６９７７（２００９）０２—００３０－０３
Ｄｅｓｉｇｎｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｔｅｓｔｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ｗ１ＪＹｕ．ＸＩＡＸｉｎ－ｆａｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｃｈａｒａｃｔｒｉｓｔｉｃｆｏｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ｏｎ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ
４３００７９，Ｃｈｉｎａ）
ｏｆ
ａｍｐｌｉｔｕｄｅａｎｄｐｈａｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆ
ａ
ｔｈｅ
ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ
８９Ｃ５１
ｍｉｅｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
ａｒｅ
ａｎｄＦＰＧＡ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ａ
ａｎ
ｕｎｄｅｆｉｎｅｄｆｏｕｒｅｎｄｓｎｅｔｗｏｒｋｒｅａｌｉｚｅｄｉｎ
ｃｅｒｔａｉｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｃｏｐｅ．Ｔｈｅ
ｔｅｓｔｉｎｇｍｏｄｕｌｅ
ｓｃａｎ
ｓｉｇｎａｌ
ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ
ｍｏｄｕｌｅ，ａｍｐｌｉｔｕｄｅｔｅｓｔｉｎｇｍｏｄｕｌｅ，ｐｈａｓｅ－ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ
ｓｃａｎｔｅｓｔ
ａｎｄ
ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｙｓｔｅｍ
ｒｅｓｐｏｎｓｅ
ｃｕｒｖｅ
ｄｉｓｐｌａｙｍｏｄｕｌｅｅｔｃ．７ｎｌｅ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌ
ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ
ｍａｃｈｉｎｅｉｓ
ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｗｉｔｈＤＤＦＳｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｃｅｒｔａｉｎ
ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｂｙ
ｔｈｅ
ｂｅ
ｔａｐｐｉｎｇｃｅｒｔａｉｎｋｅｙｓ，ｔｈｅｃｕｇｔｏｍｅ腮ｃａｎｍｅａｓｕｒｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｈｏｏｓｅｄ．Ｔｈｅ
ｃｕｒｖｅ
ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｙｓｔｅｍｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ａｎｄｓｔｅｐ
ｒｅｓｐｏｎｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｗｈｅｎ
ｓｉｇｒｌａｌ
ｃａｎ
ｓｃａｎｎｉｎｇｓｉｇｎａｌ
ｏｆ
ｌｏｗｅｒｌｉｍｉｔ，ｕｐｐｅｒｌｉｍｉｔ
ａｎｄ
ｖａｌｕｅｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｃａｎｎｉｎｇｏｕｔｐｕｔ
ｏｎ
ａｍｐｌｉｔｕｄｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｈａｓｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｒｏｐｅｒｔｙｃａｎｂｅｓｈｏｗｎｔｈｅｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｐｈ．Ａｎｄｉｔｉｓ伍ｅｎ＆ｙ
ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｙｓｔｅｍｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｔｅｓｔｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ｓｃａｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；Ｆｌｅａ
１
引言
频率特性是一个网络性能最直观的反映。频率特性测试
占用大量的硬件和软件资源，且精度也受到限制。
方案２：扫频测试法。当系统在正弦信号的激励下，稳态时，响应信号与输入激励信号频率相同。其幅值比即为该频率的幅频响应值．而两者的相位差即为相频特性值Ｉｌｌ。采用频率逐点步进的测试方法。无需对信号进行时域与频域的变换计算。通过对模拟量的测量与计算完成，且精度较高。
综上所述。选择方案２。２．２扫描信号产生方案
方案ｌ：采用单片函数发生器。其频率可由外围电路控制。产生的信号频率稳定度低，抗干扰能力差，灵活性差。
方案２：采用数字锁相环频率合成技术。但锁相环本身是一个惰性环节，频率转换时间长，整个测试仪的反应速度就会很慢，而且带宽不高。
方案３：采用数字直接频率合成技术（ＤＤＦＳ）。以单片机和ＦＰＧＡ为控制核心。通过相位累加器的输出寻址波形存储器中的数据，以产生固定频率的正弦信号。该方案实现简单，频率稳定。抗干扰能力强回。
综上分析．采用方案３。２．３幅度检测方案
方案ｌ：采用二极管峰值检测电路。但是二极管的导通压降会带来较大误差。小信号测量精度不高，而且模拟电路易
仪用于测量网络的幅频特性和相频特性。是根据扫频法的测量原理设计，是一种快速、简便、实时、动态、多参数、直观的测量仪器，可广泛应用于电子Ｔ程等领域。由于模拟式扫频仪价格昂贵，不能直接得到相频特性，更不能打印网络的频率响应曲线，给使用带来诸多不便。为此．设计了低频段数字式频率特性测试仅。该测试仪采用数字直接频率合成技术专用的集成电路ＡＤ９８５ｌ产生扫频信号．以单片机和ＦＰＧＡ为控制核心，通过Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换器等接口电路．实现扫频信号频率的步进调整、数字显示及被测网络幅频特性与相频特性的数显等。该系统成本低廉。扫频范围较宽（１０
Ｈｚ—Ｉ
ＭＨｚ），可方便地与打印机连接，实现频率特性曲线的打印。
２多功能计数器设计方案
２．１■频和相频特性测量方案
方案ｌ：利用公式Ｈ（ｓ）＝只（ｓ）ＩＥ（ｓ），以冲击函数为激励，则输出信号的拉氏变换与系统函数相等。但是产生性能很好的冲击函数比较困难，需要对采集的数据做ｎ丌变换，需要收稿日期：２００８—１０－０７
稿件编号：２００８１００１６
作者简介：伍－玉（１９８８－），女，广东顺德人。研究方向：信号与信息处理。
一３０—
万方数据
伍玉。等
频率特性测试仪的设计
受到外部的影响，稳定性不高。
方案２：采用真有效值检测器件。该方法电路简单。精度高，稳定性高。
综上所述，采用方案２。２．４相位检测方案
方案ｌ：相位电压转换法。采用低通滤波法和积分法。低通滤波法的滤波环节和精度不高；积分法精度较高。但是对积分电路和放电回路的要求很高。
方案２：计数法。两路信号经整形异或后。所得的脉冲占空比能反映相位差的大小．由此测得其相位差。采用多周期同步计数法，可使量化误差大大减小，精度很高。
综上所述，选取方案２。
３系统总体设计
该系统以单片机和ＦＰＧＡ为控制核心．用ＤＤＦＳ技术产生频率扫描信号。采用真有效值检测器件ＡＤ６３７测量信号幅度。在ＦＰＧＡ中，采用高频脉冲计数的方法测量相位差，经过单片机运算．可得到１００Ｈｐｌ００ｋＨｚ中任意频率的幅频特性和相频特性数据。实现在该频段的自动扫描。并在示波器上同时显示幅频和相频特性曲线。用键盘控制系统实现各种功能，并且在ＬｃＤ同步显示相应的功能和数据，人机交互界面友好。图１给出系统总体设计框图。
图１系统总体设计框图
４理论分析与计算
４．１扫频测试法理论依据
设频率响应为Ｈ（ｊｗ）的实系数线性时。不变系统在信号ｘ（ｎ）＝Ａｃｏｓ（ｏＪｏｎ＋ｆ）激励下的稳态输出为ｙ（ｎ）。利用三角恒等式．可将输入表示为２个复指数函数之和：
茗（ｎ）ｉｇ（ｎ）＋矿（ｎ）
式中，ｇ（儿）＝寺Ａ“—‰对于输入为ｅ脚，线性时，不变系统稳态
输出为日舻啪挪。根据线性性质可知，输入ｇ（ｎ）的响应口（ｎ）
为：”（ｎ）＝吉［Ａ溯舻啪吲。同理，输入矿（ｎ）的输出移木（，ｔ）是口
（ｎ）的复共轭。于是得到输出ｙ（，Ｉ）的表达式：，，（，Ｉ）剐（，１）抑枣（ｎ）
州＝扣棚∽冉扣ｅ嘲（ｅ啼和ｌ；Ａ１日∽｜ｃｏｓ№＋ｇ删
因此，输出信号和输入信号是频率相同的正弦波，仅有两
点不同：第一，振幅被１日（幽）Ｉ加权，即网络系统在∞锄的幅
万
方数据度函数值；第二，输出信号相对于输入信号有一个数量为ｑ（ａｔｏ）的相位时延．即网络系统在Ｗ－＝４００的相位值。
４．２
ＤＤＳ信号源
根据ＤＤＦＳ原理所产生的波形频率为：
触・等
式中厶为基准频率，Ｊ｜Ｉｆ为相位增量因子，Ⅳ为累加器的位数。
肼取２２，Ⅳ取２４。
为得到１００ｋＨｚ的信号，而且在每个周期希望取到３２个以上点。则累加器输出后级Ｄ／Ａ转换需要至少３．２ＭＨｚ的速度。于是选取建立时间为３０ｎｓ、１０位的ＤＡＣ９００，不仅满足了对Ｄ／Ａ转换速度的要求。而且具有ｌＯ位数据线，减少了Ｄ／Ａ
转换中固有的量化误差。厶取４０ＭＨｚ，频率的最小步进：
△角么击＝４０ｘｌｆｆ＇ｘ者＝ｏ．４１９
ＩＩｚｏ
４．３相位差测量
设ＩＮｌ和ＩＮ２为两路具有相位差经整形后得到的方波信号。Ｇａｔｅ２为ＩＮｌ和ＩＮ２经过异或后得到的脉冲信号，Ｆｏ为
ＦＰＧＡ内部的标准高频脉冲信号。取４０ＭＨｚ。将ＩＮ２八分频，
结合单片机控制．可得到一个动态门控信号Ｇａｔｅｌ。动态门控与脉冲信号相“与”．可得到门限内的有限个脉冲信号Ｇａｔｅ２。Ｇａｔｅｌ中含有ＩＮ２的４个周期，Ｇａｔｅ２含有８个异或脉冲。其中分别对ｃｌｋ进行计数。分别得到计数值肘和Ⅳ。根据公式
Ｉ△９
Ｉ＝妒。－－‘ｐｚ＝篇｝×３６００精确地测得相位差绝对值。其时序
如图２所示。由于对高频脉冲计数可能存在±１的误差１３１
２
６。（△妒）＝△妒，－厶俨号×瓮等×３６００一告×等，（３６００一』筹墅
在Ｆ＝１００ｋＨｚ时，肘。一１
６００，则ｋ（△纠一Ｏ．９。。在
Ｆｌｅａ内部生成一个Ｄ触发器。以ＩＮＩ为触发器的数据输入，ＩＮ２为触发器的时钟输入，若触发器输出端为高电平，则△妒＞
００；若输出端为低电平，则△妒司ｏｏ。
ＩＲｌ几厂］厂］几门几
０ａｔｅｌ一．厂————］．．一一．
ＩＮ２
１ｎ厂］ｒ］门ｎ．厂］
６ａｔｅ２
几ｆ１ｎ几ｎｎ几『１
。
图２浏相时序图
５
主要功能电路
５．１有效值检测模块
采用高精度、高带宽的真有效值检测器件ＡＤ６３７。输出直流约有０．１Ｖ的波纹。对小信号的测量存在很大误差。系统有效值检测模块后接一级截止频率为１０Ｈｚ的低通滤波器，滤除直流信号的波纹问。即使在最小的有效值，检测几乎没有误差。如图３所示。
一３ｌ一
《电子设计工程）２００９年第２期
＾∞３７
，。翻
ｒ群
ＯＦＦＳＥＴ＋ＶＳ畔ＣＳ
—ＶＳ岸ＤＩ
ＲＭＳＯＵＴ降ＤＢＦＩ卜ｏ
图３真有效
５．２示波器显示模块
为了在示波器上显示曲线。需要通过２个Ｄ，Ａ转换器向Ｘ、Ｙ轴同步送入扫描信号和数据信号。选用ＤＡＣ０８００作为数模转换器，由于扫描信号为０～５Ｖ的锯齿波信号，而数据信号为一５～５Ｖ，扫描信号和数据信号的Ｄ／Ａ转换器分别采用单极性和双极性接法。图４给出ＤＡＣ０８００双极性接法电路．单极性接法只将Ｒ。短路即可。
Ｄ＾ｃ０８００ＶＬＣＢ１Ｂ２Ｂ３
Ｂ４Ｂ５Ｂ６Ｂ７Ｂ８
图５程序流程图
７结语
频率特性测试仪的幅度特性测试的频率范围达１００
１００
Ｈｚ一
ｋＨｚ，，频率稳定度１０石，测量精度５％，能在全频范围和特
定频率范围内自动步进测量。可手动预置测量范围及步进频率值。相频特性测试的频率范围５００
Ｈｚ～１０
避２ｈ０．ｆ：Ｆ上
ｋＨｚ，相位值显示
３位，以ｌ位作为符号位。测量精度为１０，并能用示波器显示幅
ＣＩ上
ＶＥＥ
ｏ・１１１９工
图４
譬
一１２Ｖ
。掣｜；
匦
频特性和相频特性曲线。该系统操作简单，测量精度很高，具有可行性和实用性。其成品经优化包装具有良好市场。参考文献：
【ｌ】王施懿．数字式频率特性测试仪的设计田．电子科学，２００８
（１）：７－８．
【２】黄根春，陈小桥，张望先．电子设计教程【Ｍ】．北京：电子Ｙ－ｉ
出版社．２００７．
【３】张小义．基于单片机的等精度数字测频田．电子测试，２００７
（４）：２５—２７．
ＤＡＣ０８００双极性接法电路
６系统软件设计
系统软件部分由单片机和ＦＰＧＡ组成，单片机主要完成人机交互部分的处理和系统的控制，ＦＰＧＡ主要完成测相和ＲＡＭ的实现。整个软件系统的设计中模块化思想贯穿始终
【４］谢自美．电子线路设计、实验、测试【Ｍ】．２版．武汉：华中理工
大学出版社，２００３．
【５】马忠梅．单片机的Ｃ语言应用程序设计【Ｍ】．３版．北京：北京
航空航天大学出版社。２００４．
、！多乱！乒乱蝓！多乱！多乱！多乱！多小！多玉苎多》苎多小！彳备苎乒蚤！多玉！乒乱！多备！乒≈！多玉！多小！多玉！乒蚤！乒玉！多斗！；备！多；、！乒玉！多玉！多备！多玉！多玉竺多玉！多≈！多孓竺多玉ｇ；｝
（上接第２９页）
北京：北京航空航天大学出版社．２００３．
【２】１１公司．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７，ＴＭ￥３２０ＬＦ２４０６，ＴＭＳ３２０Ｌ［２４０２
Ｄａｔａ
ｓｈｅｅｔ［ＤＢ／ＯＬＩ．２００２．ｈｔｔｐ：／／ｆｏｃｕｓ．ｔｉ．ｃｏｒｎ．ｅｎ／ｃｒｄｄｏｃｓｄｐｒｏｄ／
次数
１２３１４．８９
４５
１５．ＩＩ
６１４．９９
ｆｏｌｄｅｒｓ／ｐｒｉｎｔ／ｔｍｓ３２０１ｆ２４０７．ｈｔｍｌ．
出口时间（ｍ）Ｉ
１４．９２１５．０６１５．０９
【３】刘和平，严利平．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘＤＳＰ结构、原理及应用【Ｍ】．
北京：北京航空航天大学出版社。２００２．
【４】张雄伟，陈亮。ＤＳＰ集成开发与应用实例【Ｍ】．北京：电子工
业出版社．２００２．
【５】ＬＡＢＲＯＳＳＥＪＪ．嵌入式实时操作系统ｖＬＣ／ＯＳ—ＩＩ【Ⅶ．２版．
邵贝贝。译．北京：北京航空航天大学出版社，２００３．
【６】冯根生，郭教之．微机控制技术【Ｍ】．安徽：中国科学技术大
学出版社．２００２．
【７】ＬＡＢＲＯＳＳＥＪＪ．Ｉ．ＬＣ／ＯＳ－ＩＩ一源码公开的实时操作系统【Ｍ】．
ＤＳＰ
５结语
系统是基于实时嵌入式操作系统ｔｒＣ／ＯＳ．ＩＩ设计的电力参数监测仪器，具有结构简单，成本低廉等优点。实验表明，该系统在数据处理、转换、通讯等方面。具有实时性高，系统抗干扰能力强，可扩展性好。易于在类似的工业及民用的测控系统使用。参考文献：
【ｌ】刘和平，严利平．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘ
－３２－
Ｃ语言开发应用【Ｍ】．
邵贝贝。译．北京：中国电力出版社，２００１４．
万方数据
频率特性测试仪的设计
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
伍玉， 夏新凡， WU Yu， XIA Xin-fan武汉大学电子信息学院,湖北,武汉,430079电子设计工程
ELECTRONIC DESIGN ENGINEERING2009,17(2)1次
参考文献(5条)
1.王施懿 数字式频率特性测试仪的设计[期刊论文]-电子科学 2008(01)2.黄根春.陈小桥.张望先 电子设计教程 2007
3.张小义 基于单片机的等精度数字测频[期刊论文]-电子测试 2007(04)4.谢自美 电子线路设计、实验、测试 20035.马忠梅 单片机的C语言应用程序设计 2004
引证文献(1条)
1.韩忠华.马斌.王石.王长涛 基于单片机的频率特性测试仪设计[期刊论文]-电子产品世界 2010(6)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzsjgc200902012.aspx
第１７卷第２期
Ｖ０１．１７
Ｎｏ．２
电子设计工程
ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｓｉｇｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００９年２月
Ｆｅｂ．２００９
频率特性测试仪的设计
伍玉．夏新凡
（武汉大学电子信息学院，湖北武汉４３００７９）
摘要：以８９Ｃ５１单片机和ＦＰＧＡ构成的最小系统为核心，实现了一定频带范围内对一个未知四端网络的幅频特性和相频特性的测量。该系统由扫频信号发生器，幅度测量模块，相位测量模块，示波器显示模块等构成。用数字频率合成技术设计扫频信号发生器。用户通过按键测量特定频率的频率特性。扫频测量时，可以选择扫频输出信号的下限和上限以及步进值。示波器显示出幅频和相频的曲线。界面友好。
关键词：系统频率响应；频率特性测试仪；扫频测试法；现场可编程门阵列
中图分类号：删９３５
文献标识码：Ａ文章编号：１００６－－６９７７（２００９）０２—００３０－０３
Ｄｅｓｉｇｎｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｔｅｓｔｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ｗ１ＪＹｕ．ＸＩＡＸｉｎ－ｆａｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｃｈａｒａｃｔｒｉｓｔｉｃｆｏｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ｏｎ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ
４３００７９，Ｃｈｉｎａ）
ｏｆ
ａｍｐｌｉｔｕｄｅａｎｄｐｈａｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆ
ａ
ｔｈｅ
ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ
８９Ｃ５１
ｍｉｅｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
ａｒｅ
ａｎｄＦＰＧＡ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ａ
ａｎ
ｕｎｄｅｆｉｎｅｄｆｏｕｒｅｎｄｓｎｅｔｗｏｒｋｒｅａｌｉｚｅｄｉｎ
ｃｅｒｔａｉｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｃｏｐｅ．Ｔｈｅ
ｔｅｓｔｉｎｇｍｏｄｕｌｅ
ｓｃａｎ
ｓｉｇｎａｌ
ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ
ｍｏｄｕｌｅ，ａｍｐｌｉｔｕｄｅｔｅｓｔｉｎｇｍｏｄｕｌｅ，ｐｈａｓｅ－ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ
ｓｃａｎｔｅｓｔ
ａｎｄ
ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｙｓｔｅｍ
ｒｅｓｐｏｎｓｅ
ｃｕｒｖｅ
ｄｉｓｐｌａｙｍｏｄｕｌｅｅｔｃ．７ｎｌｅ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌ
ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ
ｍａｃｈｉｎｅｉｓ
ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｗｉｔｈＤＤＦＳｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｃｅｒｔａｉｎ
ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｂｙ
ｔｈｅ
ｂｅ
ｔａｐｐｉｎｇｃｅｒｔａｉｎｋｅｙｓ，ｔｈｅｃｕｇｔｏｍｅ腮ｃａｎｍｅａｓｕｒｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｈｏｏｓｅｄ．Ｔｈｅ
ｃｕｒｖｅ
ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｙｓｔｅｍｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ａｎｄｓｔｅｐ
ｒｅｓｐｏｎｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｗｈｅｎ
ｓｉｇｒｌａｌ
ｃａｎ
ｓｃａｎｎｉｎｇｓｉｇｎａｌ
ｏｆ
ｌｏｗｅｒｌｉｍｉｔ，ｕｐｐｅｒｌｉｍｉｔ
ａｎｄ
ｖａｌｕｅｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｃａｎｎｉｎｇｏｕｔｐｕｔ
ｏｎ
ａｍｐｌｉｔｕｄｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｈａｓｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｒｏｐｅｒｔｙｃａｎｂｅｓｈｏｗｎｔｈｅｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｐｈ．Ａｎｄｉｔｉｓ伍ｅｎ＆ｙ
ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｙｓｔｅｍｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｔｅｓｔｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ｓｃａｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；Ｆｌｅａ
１
引言
频率特性是一个网络性能最直观的反映。频率特性测试
占用大量的硬件和软件资源，且精度也受到限制。
方案２：扫频测试法。当系统在正弦信号的激励下，稳态时，响应信号与输入激励信号频率相同。其幅值比即为该频率的幅频响应值．而两者的相位差即为相频特性值Ｉｌｌ。采用频率逐点步进的测试方法。无需对信号进行时域与频域的变换计算。通过对模拟量的测量与计算完成，且精度较高。
综上所述。选择方案２。２．２扫描信号产生方案
方案ｌ：采用单片函数发生器。其频率可由外围电路控制。产生的信号频率稳定度低，抗干扰能力差，灵活性差。
方案２：采用数字锁相环频率合成技术。但锁相环本身是一个惰性环节，频率转换时间长，整个测试仪的反应速度就会很慢，而且带宽不高。
方案３：采用数字直接频率合成技术（ＤＤＦＳ）。以单片机和ＦＰＧＡ为控制核心。通过相位累加器的输出寻址波形存储器中的数据，以产生固定频率的正弦信号。该方案实现简单，频率稳定。抗干扰能力强回。
综上分析．采用方案３。２．３幅度检测方案
方案ｌ：采用二极管峰值检测电路。但是二极管的导通压降会带来较大误差。小信号测量精度不高，而且模拟电路易
仪用于测量网络的幅频特性和相频特性。是根据扫频法的测量原理设计，是一种快速、简便、实时、动态、多参数、直观的测量仪器，可广泛应用于电子Ｔ程等领域。由于模拟式扫频仪价格昂贵，不能直接得到相频特性，更不能打印网络的频率响应曲线，给使用带来诸多不便。为此．设计了低频段数字式频率特性测试仅。该测试仪采用数字直接频率合成技术专用的集成电路ＡＤ９８５ｌ产生扫频信号．以单片机和ＦＰＧＡ为控制核心，通过Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换器等接口电路．实现扫频信号频率的步进调整、数字显示及被测网络幅频特性与相频特性的数显等。该系统成本低廉。扫频范围较宽（１０
Ｈｚ—Ｉ
ＭＨｚ），可方便地与打印机连接，实现频率特性曲线的打印。
２多功能计数器设计方案
２．１■频和相频特性测量方案
方案ｌ：利用公式Ｈ（ｓ）＝只（ｓ）ＩＥ（ｓ），以冲击函数为激励，则输出信号的拉氏变换与系统函数相等。但是产生性能很好的冲击函数比较困难，需要对采集的数据做ｎ丌变换，需要收稿日期：２００８—１０－０７
稿件编号：２００８１００１６
作者简介：伍－玉（１９８８－），女，广东顺德人。研究方向：信号与信息处理。
一３０—
万方数据
伍玉。等
频率特性测试仪的设计
受到外部的影响，稳定性不高。
方案２：采用真有效值检测器件。该方法电路简单。精度高，稳定性高。
综上所述，采用方案２。２．４相位检测方案
方案ｌ：相位电压转换法。采用低通滤波法和积分法。低通滤波法的滤波环节和精度不高；积分法精度较高。但是对积分电路和放电回路的要求很高。
方案２：计数法。两路信号经整形异或后。所得的脉冲占空比能反映相位差的大小．由此测得其相位差。采用多周期同步计数法，可使量化误差大大减小，精度很高。
综上所述，选取方案２。
３系统总体设计
该系统以单片机和ＦＰＧＡ为控制核心．用ＤＤＦＳ技术产生频率扫描信号。采用真有效值检测器件ＡＤ６３７测量信号幅度。在ＦＰＧＡ中，采用高频脉冲计数的方法测量相位差，经过单片机运算．可得到１００Ｈｐｌ００ｋＨｚ中任意频率的幅频特性和相频特性数据。实现在该频段的自动扫描。并在示波器上同时显示幅频和相频特性曲线。用键盘控制系统实现各种功能，并且在ＬｃＤ同步显示相应的功能和数据，人机交互界面友好。图１给出系统总体设计框图。
图１系统总体设计框图
４理论分析与计算
４．１扫频测试法理论依据
设频率响应为Ｈ（ｊｗ）的实系数线性时。不变系统在信号ｘ（ｎ）＝Ａｃｏｓ（ｏＪｏｎ＋ｆ）激励下的稳态输出为ｙ（ｎ）。利用三角恒等式．可将输入表示为２个复指数函数之和：
茗（ｎ）ｉｇ（ｎ）＋矿（ｎ）
式中，ｇ（儿）＝寺Ａ“—‰对于输入为ｅ脚，线性时，不变系统稳态
输出为日舻啪挪。根据线性性质可知，输入ｇ（ｎ）的响应口（ｎ）
为：”（ｎ）＝吉［Ａ溯舻啪吲。同理，输入矿（ｎ）的输出移木（，ｔ）是口
（ｎ）的复共轭。于是得到输出ｙ（，Ｉ）的表达式：，，（，Ｉ）剐（，１）抑枣（ｎ）
州＝扣棚∽冉扣ｅ嘲（ｅ啼和ｌ；Ａ１日∽｜ｃｏｓ№＋ｇ删
因此，输出信号和输入信号是频率相同的正弦波，仅有两
点不同：第一，振幅被１日（幽）Ｉ加权，即网络系统在∞锄的幅
万
方数据度函数值；第二，输出信号相对于输入信号有一个数量为ｑ（ａｔｏ）的相位时延．即网络系统在Ｗ－＝４００的相位值。
４．２
ＤＤＳ信号源
根据ＤＤＦＳ原理所产生的波形频率为：
触・等
式中厶为基准频率，Ｊ｜Ｉｆ为相位增量因子，Ⅳ为累加器的位数。
肼取２２，Ⅳ取２４。
为得到１００ｋＨｚ的信号，而且在每个周期希望取到３２个以上点。则累加器输出后级Ｄ／Ａ转换需要至少３．２ＭＨｚ的速度。于是选取建立时间为３０ｎｓ、１０位的ＤＡＣ９００，不仅满足了对Ｄ／Ａ转换速度的要求。而且具有ｌＯ位数据线，减少了Ｄ／Ａ
转换中固有的量化误差。厶取４０ＭＨｚ，频率的最小步进：
△角么击＝４０ｘｌｆｆ＇ｘ者＝ｏ．４１９
ＩＩｚｏ
４．３相位差测量
设ＩＮｌ和ＩＮ２为两路具有相位差经整形后得到的方波信号。Ｇａｔｅ２为ＩＮｌ和ＩＮ２经过异或后得到的脉冲信号，Ｆｏ为
ＦＰＧＡ内部的标准高频脉冲信号。取４０ＭＨｚ。将ＩＮ２八分频，
结合单片机控制．可得到一个动态门控信号Ｇａｔｅｌ。动态门控与脉冲信号相“与”．可得到门限内的有限个脉冲信号Ｇａｔｅ２。Ｇａｔｅｌ中含有ＩＮ２的４个周期，Ｇａｔｅ２含有８个异或脉冲。其中分别对ｃｌｋ进行计数。分别得到计数值肘和Ⅳ。根据公式
Ｉ△９
Ｉ＝妒。－－‘ｐｚ＝篇｝×３６００精确地测得相位差绝对值。其时序
如图２所示。由于对高频脉冲计数可能存在±１的误差１３１
２
６。（△妒）＝△妒，－厶俨号×瓮等×３６００一告×等，（３６００一』筹墅
在Ｆ＝１００ｋＨｚ时，肘。一１
６００，则ｋ（△纠一Ｏ．９。。在
Ｆｌｅａ内部生成一个Ｄ触发器。以ＩＮＩ为触发器的数据输入，ＩＮ２为触发器的时钟输入，若触发器输出端为高电平，则△妒＞
００；若输出端为低电平，则△妒司ｏｏ。
ＩＲｌ几厂］厂］几门几
０ａｔｅｌ一．厂————］．．一一．
ＩＮ２
１ｎ厂］ｒ］门ｎ．厂］
６ａｔｅ２
几ｆ１ｎ几ｎｎ几『１
。
图２浏相时序图
５
主要功能电路
５．１有效值检测模块
采用高精度、高带宽的真有效值检测器件ＡＤ６３７。输出直流约有０．１Ｖ的波纹。对小信号的测量存在很大误差。系统有效值检测模块后接一级截止频率为１０Ｈｚ的低通滤波器，滤除直流信号的波纹问。即使在最小的有效值，检测几乎没有误差。如图３所示。
一３ｌ一
《电子设计工程）２００９年第２期
＾∞３７
，。翻
ｒ群
ＯＦＦＳＥＴ＋ＶＳ畔ＣＳ
—ＶＳ岸ＤＩ
ＲＭＳＯＵＴ降ＤＢＦＩ卜ｏ
图３真有效
５．２示波器显示模块
为了在示波器上显示曲线。需要通过２个Ｄ，Ａ转换器向Ｘ、Ｙ轴同步送入扫描信号和数据信号。选用ＤＡＣ０８００作为数模转换器，由于扫描信号为０～５Ｖ的锯齿波信号，而数据信号为一５～５Ｖ，扫描信号和数据信号的Ｄ／Ａ转换器分别采用单极性和双极性接法。图４给出ＤＡＣ０８００双极性接法电路．单极性接法只将Ｒ。短路即可。
Ｄ＾ｃ０８００ＶＬＣＢ１Ｂ２Ｂ３
Ｂ４Ｂ５Ｂ６Ｂ７Ｂ８
图５程序流程图
７结语
频率特性测试仪的幅度特性测试的频率范围达１００
１００
Ｈｚ一
ｋＨｚ，，频率稳定度１０石，测量精度５％，能在全频范围和特
定频率范围内自动步进测量。可手动预置测量范围及步进频率值。相频特性测试的频率范围５００
Ｈｚ～１０
避２ｈ０．ｆ：Ｆ上
ｋＨｚ，相位值显示
３位，以ｌ位作为符号位。测量精度为１０，并能用示波器显示幅
ＣＩ上
ＶＥＥ
ｏ・１１１９工
图４
譬
一１２Ｖ
。掣｜；
匦
频特性和相频特性曲线。该系统操作简单，测量精度很高，具有可行性和实用性。其成品经优化包装具有良好市场。参考文献：
【ｌ】王施懿．数字式频率特性测试仪的设计田．电子科学，２００８
（１）：７－８．
【２】黄根春，陈小桥，张望先．电子设计教程【Ｍ】．北京：电子Ｙ－ｉ
出版社．２００７．
【３】张小义．基于单片机的等精度数字测频田．电子测试，２００７
（４）：２５—２７．
ＤＡＣ０８００双极性接法电路
６系统软件设计
系统软件部分由单片机和ＦＰＧＡ组成，单片机主要完成人机交互部分的处理和系统的控制，ＦＰＧＡ主要完成测相和ＲＡＭ的实现。整个软件系统的设计中模块化思想贯穿始终
【４］谢自美．电子线路设计、实验、测试【Ｍ】．２版．武汉：华中理工
大学出版社，２００３．
【５】马忠梅．单片机的Ｃ语言应用程序设计【Ｍ】．３版．北京：北京
航空航天大学出版社。２００４．
、！多乱！乒乱蝓！多乱！多乱！多乱！多小！多玉苎多》苎多小！彳备苎乒蚤！多玉！乒乱！多备！乒≈！多玉！多小！多玉！乒蚤！乒玉！多斗！；备！多；、！乒玉！多玉！多备！多玉！多玉竺多玉！多≈！多孓竺多玉ｇ；｝
（上接第２９页）
北京：北京航空航天大学出版社．２００３．
【２】１１公司．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７，ＴＭ￥３２０ＬＦ２４０６，ＴＭＳ３２０Ｌ［２４０２
Ｄａｔａ
ｓｈｅｅｔ［ＤＢ／ＯＬＩ．２００２．ｈｔｔｐ：／／ｆｏｃｕｓ．ｔｉ．ｃｏｒｎ．ｅｎ／ｃｒｄｄｏｃｓｄｐｒｏｄ／
次数
１２３１４．８９
４５
１５．ＩＩ
６１４．９９
ｆｏｌｄｅｒｓ／ｐｒｉｎｔ／ｔｍｓ３２０１ｆ２４０７．ｈｔｍｌ．
出口时间（ｍ）Ｉ
１４．９２１５．０６１５．０９
【３】刘和平，严利平．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘＤＳＰ结构、原理及应用【Ｍ】．
北京：北京航空航天大学出版社。２００２．
【４】张雄伟，陈亮。ＤＳＰ集成开发与应用实例【Ｍ】．北京：电子工
业出版社．２００２．
【５】ＬＡＢＲＯＳＳＥＪＪ．嵌入式实时操作系统ｖＬＣ／ＯＳ—ＩＩ【Ⅶ．２版．
邵贝贝。译．北京：北京航空航天大学出版社，２００３．
【６】冯根生，郭教之．微机控制技术【Ｍ】．安徽：中国科学技术大
学出版社．２００２．
【７】ＬＡＢＲＯＳＳＥＪＪ．Ｉ．ＬＣ／ＯＳ－ＩＩ一源码公开的实时操作系统【Ｍ】．
ＤＳＰ
５结语
系统是基于实时嵌入式操作系统ｔｒＣ／ＯＳ．ＩＩ设计的电力参数监测仪器，具有结构简单，成本低廉等优点。实验表明，该系统在数据处理、转换、通讯等方面。具有实时性高，系统抗干扰能力强，可扩展性好。易于在类似的工业及民用的测控系统使用。参考文献：
【ｌ】刘和平，严利平．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘ
－３２－
Ｃ语言开发应用【Ｍ】．
邵贝贝。译．北京：中国电力出版社，２００１４．
万方数据
频率特性测试仪的设计
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
伍玉， 夏新凡， WU Yu， XIA Xin-fan武汉大学电子信息学院,湖北,武汉,430079电子设计工程
ELECTRONIC DESIGN ENGINEERING2009,17(2)1次
参考文献(5条)
1.王施懿 数字式频率特性测试仪的设计[期刊论文]-电子科学 2008(01)2.黄根春.陈小桥.张望先 电子设计教程 2007
3.张小义 基于单片机的等精度数字测频[期刊论文]-电子测试 2007(04)4.谢自美 电子线路设计、实验、测试 20035.马忠梅 单片机的C语言应用程序设计 2004
引证文献(1条)
1.韩忠华.马斌.王石.王长涛 基于单片机的频率特性测试仪设计[期刊论文]-电子产品世界 2010(6)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzsjgc200902012.aspx