基于C8051F060和AD9834的頻率響應(yīng)測試儀設(shè)計

摘要：為了測試電路系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，通常需要在電路系統(tǒng)輸入端加上不同頻率的激勵，然后再測量電路的輸出以得到頻率響應(yīng)函數(shù)。文中介紹了由單片機和DDS構(gòu)成的頻率響應(yīng)測試儀設(shè)計方法，同時給出了單片機中的軟件處理流程。試驗結(jié)果表明，本測試儀測量精度高，操作方便。
關(guān)鍵詞：AD9834頻率響應(yīng)；測試儀；單片機；C8051F060

0 引言
    在模擬電路設(shè)計和調(diào)試過程中，測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性是非常重要的一步。而市場上能購買到的具有分析系統(tǒng)頻率響應(yīng)的儀器通常都比較昂貴，而且體積較大，一般很難接受。為此，本文介紹了一種成本較低、體積小、操作簡單，能滿足大部分系統(tǒng)測量要求的頻率響應(yīng)測試儀的設(shè)計方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    本文介紹的是基于單片機C8051F060和頻率合成芯片AD9834開發(fā)的、可測量系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線的儀器系統(tǒng)。其系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所
示。

    本設(shè)計中的單片機C8051F060可控制掃頻信號源，以產(chǎn)生一系列不同頻率的正弦信號，然后將這些信號進行濾波、放大后作為被測對象的輸入送到被測網(wǎng)絡(luò)中，而被測對象的輸出信號則經(jīng)過調(diào)理電路輸入到單片機C8051F060中進行數(shù)據(jù)采集與處理，并將其幅頻特性曲線、相頻特性曲線通過LED顯示出來。鍵盤可通過控制單片機來設(shè)置頻率的步進值。

2 各部分模塊的設(shè)計
2．1 主要芯片簡介
    本系統(tǒng)中的C8051F060是美國Cygnal公司推出的完全集成混合信號片上系統(tǒng)型MCU。C8051F060采用與8051兼容的專利內(nèi)核CIP-51，速度高達25MIPS，并具有59個數(shù)字I／O引腳、5個16位通用定時器、6個帶有捕捉／比較模塊的可編程定時器／計數(shù)器陣列。同時，片內(nèi)還集成了兩個16位、1Msps的ADC和2個12位DAC、3個電壓比較器、看門狗定時器，VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。該芯片上集成有64KB的FLASH和4352B內(nèi)部RA-M，以及硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus／I2C和2個UART串行接口。最為便利的是，C8051F060還集成了CAN總線控制器，這使得用CAN總線開發(fā)C8051F0 60具有開發(fā)費用低廉、抗干擾性強、可適用于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用等特點。
    本設(shè)計選用的頻率合成芯片AD9834是AD公司生產(chǎn)的具有高集成度、低功耗的直接數(shù)字頻率合成器，它使用的DDS技術(shù)是一種利用正弦信號
相位隨時間線性增加的原理，并由數(shù)字累加和數(shù)／模轉(zhuǎn)換來合成所需頻率的技術(shù)。它主要由數(shù)控振蕩器(NCO)、相位調(diào)制器、正弦查詢表ROM
和1個10位D／A轉(zhuǎn)換器組成。數(shù)控振蕩器和相位調(diào)制器主要由2個頻率選擇寄存器、1個相位累加器、2個相位偏移寄存器和1個相位偏移加法器構(gòu)成，其最高工作頻率可達50 MHz。在參考時鐘1MHz下的頻率分辨率達0．004 Hz。同時，AD9834還具有三總線串行(SPI)接口，可以較好地與DSP或單片機兼容，并可以輸出正弦波、三角波和方波信號。

2．2 掃頻信號源設(shè)計
    本設(shè)計采用C8051F020單片機作為控制器件，它的最高工作頻率可達到25MHz，并可提供一個串行外設(shè)接口SPI器件，然后利用SPI總線向AD9834發(fā)送頻率控制字，以使AD9834產(chǎn)生正弦信號，將此差分信號通過引腳IOUT和引腳IOUTB輸出。本系統(tǒng)中的掃頻信號源電路如圖2所示。

2．3 調(diào)理電路設(shè)計
    在設(shè)計調(diào)理電路時，可選用模擬開關(guān)ADG408來控制放大電路的增益，以將±5 V的信號經(jīng)過調(diào)理電路衰減后，再和ADC的參考電壓相
加，從而使信號的幅度范圍達到ADC允許的范圍內(nèi)(0～2．5V)。

3 單片機C8051F060與AD9834的通訊接口
    本設(shè)計采用單片機C8051F060并通過SPI接口向AD9834發(fā)送命令和數(shù)據(jù)，再由AD9834產(chǎn)生系統(tǒng)需要的掃頻信號。C8051F060的SPI是一個高
速同步串行輸入／輸出口，可支持主／從形式的多機通信，通常用于DSP控制器和外設(shè)或另一個處理器之間以串行方式進行通信和數(shù)據(jù)交換。通信時一般使用四條線，即串行時鐘線SPICLK、主機輸入／從機輸出線SPIMISO、主機輸出／從機輸入線SPIMOSI、從傳送使能線SPISTE。而AD9834有三根串行接口線，且與SPI等接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。由于單片機只向AD9834發(fā)送數(shù)據(jù)。而不需要接收數(shù)據(jù)，因此，設(shè)計時可將單片機的SPI設(shè)置為主器件，NSS置為高電平。C8051F060與AD9834的具體接口電路如圖3所示。

4 軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)的軟件主要完成系統(tǒng)的初始化、程控放大、數(shù)據(jù)采集與處理及LCD顯示等功能。其主程序流程圖如圖4所示。

    初始化包括系統(tǒng)初始化、單片機初始化、DDS初始化和液晶屏初始化。初始化之后，就可以讀鍵值，如果步長改變，則清計數(shù)器和液晶屏，沒有改變，則可寫頻率控制字，用程序控制其放大倍數(shù)，采集輸出信號。如果輸出電壓超過滿量程，則應(yīng)減小放大倍數(shù)，以使其被控制到合適的范圍內(nèi)。剛好滿足時，就可以對輸入、輸出信號兩端同時采集，待采集完成后，再對輸入信號和輸出信號分別進行傅里葉變換，然后計算出各自的幅度和相位，再用輸出端的幅度除以輸入端的幅度，就可以得到被測網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)頻率的放大倍數(shù)，然后用輸出端信號的相位減去輸入端信號的相位，就可以得到被測網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)頻率的相頻響應(yīng)。最后將計算出的結(jié)果通過LCD顯示出來。本系統(tǒng)選用320240B液晶顯示器，并使用功能強大的RA8835／SED1335作為控制器，一屏最多可顯示320個點，當(dāng)這320個點全部顯示完成時，掃頻結(jié)束，掃頻結(jié)束后，還可以進行頻率響應(yīng)函數(shù)的計算。否則就返回，以進行下一個頻率的測量。

5 結(jié)束語
    通過本文所設(shè)計的頻率響應(yīng)測試儀可測出被測網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)信號與激勵信號的幅值比和相位差，從而求出系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性，再由求得的頻率特性進一步求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。該設(shè)計由于輸入信號頻率成分單一，信號穩(wěn)定，能量集中，因此，求出的結(jié)果精確度高，從而克服了其他方法中激勵信號成分復(fù)雜，各成分的能量分布不均勻，持續(xù)時間短，能量不足，噪聲影響較大等缺點。