1引言 当今世界,电子科技飞速发展,数字化、网络化、信息化,影响着人们的衣、食、住、行。但现有电子科研实验室缺少频率在1MHz以下的扫频仪器,严重阻碍了科研人员的创作速度。语音信号要进行数字处理时,首先必须经过采样、量化、编码,由Nyquist采样定理可知,若要无失真地重建原始信号,采样频率必须大于或等于原始信号最高频率的两倍(Ws≥2Wh),否则采样信号的频谱将会发生混叠,此时,无法恢复原始信号,显然原始信号的频率Wh越低,采样频率Ws也越低,数码率也就越低,并可大大减少存储空间和信息传输速率,于是,可以在采样之前使原始信号通过一个低通滤波器,只允许低于Ws/2的频率分量通过,而将更高的频率分量滤除。由语音信号的标准可知,在采样前可通过带通滤波将语音信号的频带限制在300Hz~3400Hz范围内。无疑,在以上这一系列语音信号处理过程中,缺少不了1MHz以下的扫频仪器,特别是进行300Hz~3400Hz带通滤波器的设计与生产时,在调整与测试过程中必须使用低频扫频仪进行数据检验。 2方案的设计与论证 根据上述要求,我们可有以下三种设计方案: (1)借助实验室的低频信号发生器与示波器, 用人工的方法进行定点描测,即由低频信号发生器产生一个一个的频率点输送到被测电路,其输出接到示波器,观测它的各个频率点的衰减幅度,并记录下来进行数据分析。 (2)以单片机为核心,外围频率合成器、整流滤波、A/D转换、液晶显示、键盘控制等部分进行智能全自动化综合系统设计,工作原理后文详述,其系统框图如图1所示。 (3)以DSP芯片为核心,对外围宽带信号发生器、宽带信号接收器、液晶显示屏、控制面板等部分进行智能系统设计,其基本工作原理是:由信号发生单元产生一个从20Hz~2MHz的宽带信号输送到被测电路,其输出接到信号接收单元,再由DSP芯片进行频谱分析,扫频结果由液晶显示直观地显示出来,键盘采用轻触开关控制扫频范围、输出/输入信号衰减dB值等设置,其系统框图如图2所示。 显而易见,方案1是一种传统的人工方案,测试麻烦,速度慢,工作效率低,不符合现代电子设计标准;方案2、3均是全自动化仪设计方案,方案3比方案2的测试性能、精度指标要好,但方案2的成本低廉,易于生产,因此我们选择方案2。 3扫频仪的工作原理 在电子测量中,经常遇到对网络的阻抗特性和传输特性进行测量的问题,其中传输特性包括增益和衰减特性、幅频特性、相频特性等。用来测量前述特性的仪器我们称为频率特性测试仪,简称扫频仪。它为被测网络的调整,校准及故障的排除提供了极大的方便。 扫频仪一般由扫描锯齿波发生器、扫频信号发生器、宽带放大器、频标信号发生器、X轴放大、Y轴放大、显示设备、面板键盘以及多路输出电源等部分组成。其基本工作过程是通过电源变压器将50Hz市电降压后送入扫描锯齿波发生器,就形成了锯齿波,这个锯齿波一方面控制扫频信号发生器,对扫频信号进行调频,另一方面该锯齿波送到X轴偏转放大器放大后,去控制示波器X轴偏转板,使电子束产生水平扫描。由于这个锯齿波同时控制电子束水平扫描和扫频振荡器,因此电子束在示波管荧光屏上的每一水平位置对应于某一瞬时频率。从左向右频率逐渐增高,并且是线性变化的。扫频信号发生器产生的扫频信号送到宽带放大器放大后,送入衰减器,然后输出扫频信号到被测电路。为了消除扫频信号的寄生调幅,宽带放大器增设了自动增益控制器(AGC)。宽带放大器输出的扫频信号送到频标混频器,在频标混频器中与1MHz和10MHz或50MHz晶振信号或外频标信号进行混频。产生的频标信号送入Y轴偏转放大器放大后输出给示波管的Y轴偏转板。扫频信号通过被测电路后,经过Y轴电位器、衰减器、放大器放大后送到示波管的Y轴偏转板,得被测电路的幅频特性曲线。 4硬件设计 4.1硬件组成 本系统的硬件部分由CPU(89C51)、频率合成器(MC145151-1)、整流滤波、A/D转换(ADC0 809)、液晶显示、轻触键盘等单元组成,系统方框图如图1所示。键盘控制扫频范围,由单片机输送14位数据至MC145151-1控制压控振荡器(VCO)的振荡频率,该频率经被测电路后至整流滤波,再经A/D转换回送到CPU。VCO的振荡频率在扫频范围内由低频端至高频端至低频端比较缓慢地循环变化,与此同时,由CPU控制A/D转换时序,然后再由软件转换成液晶显示代码显示出来。 4.2锁相频率合成电路 该单元是本机工作的关键部分,系统结构如图3所示。合成频率步长Fr设定为扫频范围的1/128,扫频范围最大可为20Hz~2MHz,显然,扫频范围越小,扫频精度越高。 目前市场上的频率合成器集成电路很多,我们选用摩托罗拉公司的MC145151。该芯片是一块14位并行码输入的单模、单片锁相环频率合成器,片内含有参考振荡器、参考分频器、鉴相器、可编程分频器等部件,最大可变分频比为16383,最高工作频率为30MHz,能够满足系统的设计要求。 在锁相环路中,环路滤波器的设计是十分重要的。本系统采用无源比例积分滤波器,其结构简单、性能稳定、调试方便。 4.3整流滤波电路 整流电路的任务是将从被测电路接收到的正弦波信号变换成直流电。完成这一电路主要是靠二极管的单向导电作用,因此二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率整流电路中,常见的几种整流电路有半波、全波、桥式和倍压整流电路。为了保证被测信号的完整性,我们采用了桥式整流电路,如图4所示。 滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波,滤波电路有很多分类方法。常用的结构有C型滤波电路、倒L型滤波电路、π型滤波电路。比较以上几种滤波器,我们选用电路较简单、性能较好的π型滤波 电路。 本面板共设控制键Y轴衰减、X轴压缩、中心频率调节以及相应的调谐键“+”、“-”、全自动调整键(AUTO)。 参 考 文 献
1 蔡美琴等编著.MCS-51系列单片机系统及其应用(第一版).北京:电子工业出版社,1992年8月2 谢良友编著.电子测量与仪器(第一版).北京:电子工业出版社,1994年3月 关键字:低频扫频仪 频率合成 液晶显示编辑:什么鱼 引用地址:http://www./mcu/article_2016102130666.html |
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