1引言
當今世界，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)有電子科研實驗室缺少頻率在1MHz以下的掃頻儀器，嚴重阻礙了科研人員的創(chuàng)作速度。語音信號要進行數(shù)字處理時，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，采樣頻率必須大于或等于原始信號最高頻率的兩倍(Ws≥2Wh)，否則采樣信號的頻譜將會發(fā)生混疊，此時，無法恢復(fù)原始信號，顯然原始信號的頻率Wh越低，采樣頻率Ws也越低，數(shù)碼率也就越低，并可大大減少存儲空間和信息傳輸速率，于是，可以在采樣之前使原始信號通過一個低通濾波器，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。由語音信號的標準可知，在采樣前可通過帶通濾波將語音信號的頻帶限制在300Hz～3400Hz范圍內(nèi)。無疑，在以上這一系列語音信號處理過程中，缺少不了1MHz以下的掃頻儀器，特別是進行300Hz～3400Hz帶通濾波器的設(shè)計與生產(chǎn)時，在調(diào)整與測試過程中必須使用低頻掃頻儀進行數(shù)據(jù)檢驗。
2方案的設(shè)計與論證
根據(jù)上述要求，我們可有以下三種設(shè)計方案：
(1)借助實驗室的低頻信號發(fā)生器與示波器，
用人工的方法進行定點描測，即由低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生一個一個的頻率點輸送到被測電路，其輸出接到示波器，觀測它的各個頻率點的衰減幅度，并記錄下來進行數(shù)據(jù)分析。
(2)以單片機為核心，外圍頻率合成器、整流濾波、A/D轉(zhuǎn)換、液晶顯示、鍵盤控制等部分進行智能全自動化綜合系統(tǒng)設(shè)計，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，對外圍寬帶信號發(fā)生器、寬帶信號接收器、液晶顯示屏、控制面板等部分進行智能系統(tǒng)設(shè)計，其基本工作原理是：由信號發(fā)生單元產(chǎn)生一個從20Hz～2MHz的寬帶信號輸送到被測電路，其輸出接到信號接收單元，再由DSP芯片進行頻譜分析，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)計標準;方案2、3均是全自動化儀設(shè)計方案，方案3比方案2的測試性能、精度指標要好，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)常遇到對網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性和傳輸特性進行測量的問題，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、掃頻信號發(fā)生器、寬帶放大器、頻標信號發(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，這個鋸齒波一方面控制掃頻信號發(fā)生器，對掃頻信號進行調(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。由于這個鋸齒波同時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應(yīng)于某一瞬時頻率。從左向右頻率逐漸增高，并且是線性變化的。掃頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的掃頻信號送到寬帶放大器放大后，送入衰減器，然后輸出掃頻信號到被測電路。為了消除掃頻信號的寄生調(diào)幅，寬帶放大器增設(shè)了自動增益控制器(AGC)。寬帶放大器輸出的掃頻信號送到頻標混頻器，在頻標混頻器中與1MHz和10MHz或50MHz晶振信號或外頻標信號進行混頻。產(chǎn)生的頻標信號送入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
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，由CPU控制A/D轉(zhuǎn)換時序，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)計要求。
在鎖相環(huán)路中，環(huán)路濾波器的設(shè)計是十分重要的。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?，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。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，它是一個八通道多路開關(guān)、單片CMOS模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個通道均能轉(zhuǎn)換出8位數(shù)字量，它是逐次逼近比較型轉(zhuǎn)換器，包括一個高阻抗斬波比較器、一個帶有256個電阻分壓器的樹狀開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、一個控制邏輯環(huán)節(jié)和八位逐次逼近數(shù)碼寄存器，最后輸出級有一個八位三態(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，這是因為從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換需要一定時間，在轉(zhuǎn)換時，信號應(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)是一種被動式顯示器，由于它的功耗低、抗干擾能力強、顯示界面效果良好，因而在低功耗的單片機系統(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，它既能及時反映系統(tǒng)運行的重要狀態(tài)，又能在必要時實現(xiàn)適當?shù)娜斯じ深A(yù)。
鍵盤接口按不同標準可有不同分類方法，按鍵盤排布方式可分成獨立方式和行列方式;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。
本面板共設(shè)控制鍵Y軸衰減、X軸壓縮、中心頻率調(diào)節(jié)以及相應(yīng)的調(diào)諧鍵“+”、“-”、全自動調(diào)整鍵(AUTO)。
4.7單片機控制臺
單片機(CPU)是整個自動化系統(tǒng)的核心，也是整個硬件部分的總結(jié)，它由后述軟件驅(qū)動各個控制單元。CPU的種類繁多，GI、Rockwell、Intel、Zilog、Motorola、NEC等世界大計算機公司都紛紛推出自己的單片機系列。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、兩個外中斷、兩個16位定時/計數(shù)器、一個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)(稱右對齊)。相應(yīng)的接口電路設(shè)置兩個鎖存器，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)，其中斷信號線連到CPU的外中斷INT1。
5軟件設(shè)計
本系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化程序設(shè)計方法，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)置一個計數(shù)指針R7，代表在掃頻范圍內(nèi)從低頻端到高頻端步進。當R7計數(shù)完畢時，重新賦值R7，并返回查找鍵值，若鍵值不變，則掃頻各個參數(shù)均不變地再進行掃頻;若鍵值有所改變，則計算相應(yīng)的掃頻參數(shù)重新掃頻，如此反復(fù)循環(huán)。
外中斷0子程序作為鍵盤掃描子程序，該程序采用一種新的設(shè)計方法，即在初始化CPU時，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?ldquo;0”，列線與門也輸出低電平“0”，此時產(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，當該程序產(chǎn)生中斷時，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顯示代碼表格。程序框圖略。
掃頻信號產(chǎn)生子程序并不負責(zé)產(chǎn)生掃頻信號，它只送出14位數(shù)據(jù)給MC145151芯片。掃頻信號由
硬件頻率合成器產(chǎn)生和校準。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)計中采用右對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)計中采用兩級數(shù)據(jù)鎖存器。程序框圖略。
液晶顯示子程序分三個步驟：第一步進行液晶片“忙”檢測;第二步進行內(nèi)部寫數(shù)據(jù)指針定位;第三步進行寫顯示代碼數(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軸掃頻同時控制。程序框圖略。
6系統(tǒng)擴展功能
由于本系統(tǒng)包含高精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，可在軟件設(shè)計中稍加修改，運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，例如溫度的變化、氣候的變化等參量。
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