周 濤 楊景常 郝明剛

(西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039)

0 引言

在電子測(cè)量中，經(jīng)常涉及到對(duì)網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性和傳輸特性進(jìn)行測(cè)量的問題，其中，傳輸特性包括增益特性、衰減特性、幅頻特性和相頻特性等。用于測(cè)量上述特性的儀器被稱為頻率特性測(cè)試儀，簡(jiǎn)稱掃頻儀，它為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整、校準(zhǔn)和故障的排除提供了極大的方便［1］。

傳統(tǒng)的、使用較多的儀器如BT-4型掃頻儀，大多是采用不同的電子元器件構(gòu)成的振蕩器，這種儀器存在價(jià)格高、體積大、精度低等缺陷，不便于用戶實(shí)際使用。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的電子電路要求集中在音頻范圍內(nèi)工作，所以電路的音頻特性就顯得非常重要。

在此，本文提出了一種簡(jiǎn)易的數(shù)字化掃頻儀的設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)待測(cè)網(wǎng)絡(luò)的音頻特性進(jìn)行測(cè)試的功能。

1 掃頻信號(hào)產(chǎn)生原理

直接數(shù)字頻率合成(direct digital frequency synthesis，DDS)原理框圖如圖1所示。

圖1 DDS原理框圖Fig.1 Block diagram of DDS

DDS技術(shù)的工作原理介紹如下［2］。

相位累加器是由1個(gè)N位加法器和1個(gè)N位寄存器組成，其作用是對(duì)頻率控制字φ進(jìn)行線性累加，正弦查找表中對(duì)應(yīng)的是一張函數(shù)波形查尋表。對(duì)不同的相位碼址輸出不同的幅度編碼，相位累加器根據(jù)累加輸出的序列對(duì)查找表進(jìn)行尋址，得到一系列離散的幅度編碼。該幅度編碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化后得到對(duì)應(yīng)的階梯波，最后經(jīng)低通濾波器平滑濾波后得到所需的模擬波形。相位累加器在基準(zhǔn)時(shí)鐘fclk作用下進(jìn)行線性相位累加，當(dāng)相位累加器加滿時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次溢出。這就完成了DDS信號(hào)的一個(gè)頻率周期。

輸出信號(hào)的頻率為:

式中:fclk為參考時(shí)鐘頻率，Hz;φ為頻率控制字，rad;N為相位累加器的位數(shù)，bit。由式(1)可知，直接數(shù)字頻率合成(DDS)的頻率分辨率即最低頻率為:

所以，只要N足夠大，DDS就可得到很小的頻率間隔。要改變DDS的輸出信號(hào)的頻率，只要改變頻率控制字φ即可。

本設(shè)計(jì)根據(jù)上述DDS原理，利用DSP芯片通過(guò)軟件編程的方式來(lái)產(chǎn)生掃頻信號(hào)。軟件實(shí)現(xiàn)DDS的基本思路為:相位累加器由幾條語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)，正弦查找表采用DSP芯片內(nèi)部ROM中固化的正弦表，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的功能用脈寬可變的脈沖寬度調(diào)制波與低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中掃頻信號(hào)產(chǎn)生的關(guān)鍵在于將所查到的正弦值映射成脈寬可變的脈沖寬度調(diào)制波。

2 幅頻特性測(cè)試原理

系統(tǒng)利用DSP內(nèi)部的ADC模塊對(duì)EV模塊產(chǎn)生的單頻信號(hào)進(jìn)行高速采樣，并通過(guò)比較求最大值的方法計(jì)算出待測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出端的單頻信號(hào)峰值。

本設(shè)計(jì)的幅頻特性測(cè)試編程思路為:用ePWM中斷子程序產(chǎn)生單頻掃頻信號(hào)，并通過(guò)置位標(biāo)志位的方式通知主程序，主程序記錄當(dāng)前待測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出端的頻率;然后啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并對(duì)當(dāng)前待測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出端的信號(hào)進(jìn)行高速采樣，獲得該頻率的幅值;最后將該頻率與幅值一起發(fā)送到PC機(jī)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括PC機(jī)、串門通信接口模塊、EV模塊、ADC模塊、濾波電路、待測(cè)網(wǎng)絡(luò)等模塊，其整體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Block diagram of system hardware

3.1 DSP 最小系統(tǒng)

系統(tǒng)選擇DSP芯片TMS320F2808作為本設(shè)計(jì)的核心處理芯片。TMS320F2808含有豐富的片上外設(shè)資源，如 PIE、EV、ADC、串行通信接口(serial communication interface，SCI)、SPI等。本設(shè)計(jì)只涉及了其片上的EV、ADC和SCI等模塊。

最小系統(tǒng)由DSP芯片、復(fù)位電路、JTAG調(diào)試接口和時(shí)鐘電路組成［5］。復(fù)位電路采用容阻式的復(fù)位電路，其中RC回路充電時(shí)間常數(shù)為30 ms，能夠確保復(fù)位成功。JTAG調(diào)試接口可以方便程序的調(diào)試和燒寫。本設(shè)計(jì)的時(shí)鐘采用20 MHz無(wú)源晶振，經(jīng)TMS320F2808內(nèi)部的鎖相環(huán)倍頻后獲得100 MHz的CPU時(shí)鐘。

3.2 低通濾波電路

以O(shè)PA354運(yùn)放芯片為核心芯片，設(shè)計(jì)了二階有源低通濾波器［6］。該濾波電路如圖3所示，其截止頻率為24 kHz，具有性能穩(wěn)定、增益易調(diào)整、輸入阻抗高以及輸出阻抗低的特點(diǎn)。TMS320F2808輸出占空比可變的PWM信號(hào)，經(jīng)該濾波電路處理后，輸出幅度為0～3 V的正弦信號(hào)，即掃頻信號(hào)。

圖3 低通濾波電路Fig.3 Circuitry of low-pass filter

3.3 抗混疊濾波電路

抗混疊濾波電路的結(jié)構(gòu)亦采用上述低通濾波電路的設(shè)計(jì)方法。該電路的截止頻率是ADC采樣頻率的一半，可實(shí)現(xiàn)抗混疊的作用。待測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)通過(guò)該電路進(jìn)行抗混疊處理之后，輸入到TMS320F2808的ADCINA0引腳，由ADC進(jìn)行高速采樣。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，即將實(shí)現(xiàn)特定功能的每個(gè)子程序組成一個(gè)功能模塊，最后由主程序統(tǒng)一調(diào)用。系統(tǒng)軟件包含的主要功能模塊包括初始化模塊、主程序控制模塊和中斷模塊。

4.1 初始化模塊

初始化模塊主要包括 PIE、PWM、ADC、SCI、GPIO模塊的初始化。

系統(tǒng)初始化將CPU時(shí)鐘通過(guò)TMS320F2808內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻后配置為100 MHz，禁止看門狗;并配置外設(shè)高速時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘的2分頻，外設(shè)低速時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘的4分頻，使能PWM、ADC、SCI時(shí)鐘。

PIE初始化首先將12組外設(shè)中斷寄存器和外設(shè)中斷標(biāo)志寄存器清除，然后再初始化中斷向量表并使能PIE中斷。

GPIO初始化將所用的GPIO口根據(jù)系統(tǒng)的功能要求配置為相應(yīng)的功能，其中GPIO28、GPIO29配置為SCI發(fā)送和接收，GPIO0配置為EPWM1A。

4.2 中斷模塊

中斷模塊含有ePWM中斷、ADC中斷和 SCI中斷。ePWM中斷負(fù)責(zé)產(chǎn)生脈寬可變的PWM波，ADC中斷負(fù)責(zé)獲得單頻信號(hào)的幅值，SCI中斷負(fù)責(zé)發(fā)送單頻信號(hào)頻率與幅值到PC機(jī)和接收PC機(jī)下發(fā)來(lái)的命令。系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖4所示。脈寬改變的具體程序流程如圖5所示。

圖5中:A為當(dāng)前累計(jì)的頻率點(diǎn)數(shù);B為相位累加器的值;K為頻率控制字;D為每種單頻信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù);E為音頻范圍內(nèi)總的頻率點(diǎn)數(shù);F為各單頻信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)，即為相位累加器的位數(shù)。

5 測(cè)試結(jié)果

對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試，本設(shè)計(jì)制作了1個(gè)雙T帶阻濾波器。本設(shè)計(jì)使用TDS1002示波器進(jìn)行測(cè)試，示波器的頻率范圍為60 MHz，滿足本設(shè)計(jì)的測(cè)試要求。在選取的各頻率點(diǎn)處，首先用示波器測(cè)量該帶阻濾波器的輸入、輸出信號(hào)的幅度值;然后計(jì)算出掃頻信號(hào)通過(guò)該帶阻濾波器后在各頻率點(diǎn)處的幅度增益;最后將計(jì)算結(jié)果與PC機(jī)界面顯示的結(jié)果進(jìn)行比較。帶阻濾波器的頻率特性測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1所示數(shù)據(jù)可知，本設(shè)計(jì)的測(cè)量誤差控制在4%以內(nèi)，說(shuō)明系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度，滿足系統(tǒng)要求。

表1 帶阻濾波器的頻率特性測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of frequency characteristics of band-stop filter

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的掃頻儀具有外圍電路少、系統(tǒng)參數(shù)軟件可調(diào)、運(yùn)算速度快、精度高和結(jié)果數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)等特點(diǎn)，測(cè)試誤差控制在4%以內(nèi)，能夠直觀地測(cè)試被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的音頻頻率特性，并繪制出相應(yīng)的幅頻特性曲線。同時(shí)，它可以作為通用測(cè)試儀器，在電子產(chǎn)品開發(fā)中對(duì)音頻范圍內(nèi)的被測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行幅頻特性的測(cè)試，便于開發(fā)人員調(diào)整設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)。該設(shè)計(jì)的不足之處在于其沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相頻特性測(cè)試的功能，這將是下一步開發(fā)的重點(diǎn)完善之處。

［1］毛長(zhǎng)根.低頻掃頻儀的設(shè)計(jì)與制作［J］.微電子與基礎(chǔ)產(chǎn)品，2002，28(3):37－40.

［2］毛敏，王淑仙，劉錦高.新型直接數(shù)字化合成式掃頻儀的原理和研制［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25(4):534－537.

［3］操長(zhǎng)茂.基于DDS的頻率特征測(cè)試儀［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2003，28(12):44－46.

［4］陳小靜.基于 DDS技術(shù)的掃頻儀的設(shè)計(jì)［D］.保定:河北大學(xué)，2010.

［5］孫麗明.TMS320F2812原理及C語(yǔ)言程序開發(fā)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［6］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006:418－422.

［7］郝俊壽，李春明.基于DSP正弦信號(hào)源的實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，249(10):158－160.

［8］程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程［M］.3版.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［9］譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)［M］.3版.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［10］錢能.C++程序設(shè)計(jì)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1999.