频率特性测试仪设计与总结报告(国赛一等奖)

频率特性测试仪设计与总结报告(国赛一等奖)

频率特性测试仪设计与总结报告

作者：仇飞、徐川川、王雅灏摘要：

本设计以ARM红牛开发板作为整个系统的控制核心，通过软件产生频率线性变化的正弦波，并将其提供给被测网络测试。变化前后正弦波使用软件测试，并计算其幅频特性和相频特性。使用阻容双T网络制作被测网络。关键词：

ARM开发板、阻容双T网络、加法器。

一、方案论证与选择

总体方案设计：根据题目要求，频率特性测试仪的功能是能够将输出可调正弦波给被测电路，并测量经过测量电路后正弦波的变化，从而得出幅频特性和相频特性。

①方案一：信号源采用RC正弦波振荡电路产生信号。用R、C元件组成选频网络的振荡电路为RC正弦波振荡电路，该电路适于产生1Hz~1MHz范围内的低频信号。振荡频率由R、C值决定。需要改善输出电压幅度的稳定问题，在放大电路的负反馈回路里采用非线性元件来自动调整反馈的强弱来维持输出电压恒定。所需信号源为频率连续变化信号，因此要随时改变R、C值进而改变输出信号频率。将产生的信号送至被测网络，变化后的信号和变化前信号同时送至集成有效值转换芯片AD637计算其有效值，经过A/D转换后，再使用模拟除法器得到其幅频特性。该方案电路结构简单造价低，不需软件调试。但对于测量相频特性较为困难。原理框图如图一所示。

②方案二：使用DDS芯片AD9834产生正弦波信号，产生正弦波频率最高可到25MHz。AD9834是由28位的相位累加器、正弦只读存储器和一个10位的DA构成的数字控制式振荡器。利用直接数字合成技术，和AD9834内部的两个频率寄存器、FSK技术可以实现单周期内的频率切换，以及占空比调节的实现。通过外部引脚控制或控制字控制频率寄存器和相位寄存器调节输出，可以改变输出波形种类。原理图如下。

图一：方案一原理框图

图二：方案二原理框图

③方案三：使用ARM通过软件编程产生连续正弦波且频率在100Hz到100KHz内连续变化。信号通过阻容双T网络后，再将其送至ARM将两路信号通过软件计算后得到幅频与相频特性。直接使用软件产生信号既减少了大量的线路连接，又降低了干扰，系统实现方便性能稳定而且方便两路信号比较，方便计算频率特性。

图三：方案三原理框图

方案选择：方案一输出信号连续频率在要求范围内连续可变较难达到而且不易实现步进为10Hz的频率变化，需要对其输出电压稳定幅值。方案二需要软件与硬件结合，电路结构复杂。故考虑选择方案三。

二、系统原理及框图

三、单元电路的设计及参数计算

1.信号源

①电路功能介绍

使用ARM红牛开发板通过软件编程产生100Hz~100KHz正弦波信号，频率步进10Hz。ARM不可产生带有负电位的信号，故通过软件产生的正弦信号有直流分量。使ARM产生频率为100KHz正弦波信号，需要改善其取点问题，才可使实现最高频率到达100KHz的输出信号。②软件设计思想③软件流程图2.阻容双T

①电路功能介绍

阻容双T电路为带阻滤波电路，用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段以外的信号通过。理想带阻滤波器电路的频率响应在通带内应具有一定的幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。但实际滤波器不能达到理想要求，所以只能对其带阻内信号有所衰减，不能消除。根据题目要求中心频率为5KHz。②器件选择参数计算运放选择：为了减少运放对滤波电路的负载效应，同时便于调整，选择LF351。LF351具有JFET做输入级的低失调、高输入阻抗运放。LF351参数：输入偏置电流：25pA；输入偏置电压：5.0mV；压摆率：13V/μS；

单位增益带宽积：4MHz。f05KHz,02f0，1取C102,R31.83K；RC取R240+15K+16K；又0Q50Rf150A01.990.99；22A0R1若R110K,若Rf9.9K；实际测量值为R19995，Rf9898。

③电路改善:

按上述计算结果选择器件，实际测得中心频率不等于4.8KHz，不符合理论计算结果。因电容存在误差，使得结果偏离。故，使用电阻电容测量仪，精确测得电容电阻值，加入电路，从而获得较为准确的中心频率。④电路原理图：

图：阻容双T电路原理图

3.信号处理

①电路功能介绍

使用ARM软件产生的正弦信号带有直流分量，其谷值为高于零电位的电平，若将其通过阻容双T网络，则需要将该正弦信号的直流分量去除，因此将从ARM中产生的正弦信号加隔直电容，去掉其直流分量，使得输出正确的正弦波。信号去除直流分量后，将通过阻容双T网络进行滤波，将信号频率在5KHz中心频率，带宽为100Hz范围的信号去除。经过阻容双T网络后的信号将通过ARM的GPIO口送给ARM与ARM产生的正弦信号通过软件计算比较，从而得到其幅频特性和相频特性。由于ARM只可识别低于3.3V的低电平，因此，要将经过阻容双T网络后的信号进行偏置，转换为全部为高于零电位的电信号。加法器第一级为分压电路，降低电压复制，为防止后级送给ARM的信号最大值高于3.3V，将ARM烧坏。加法器第二级为电压跟随器，将前后级电路隔离，防止前后电路干扰，造成影响。加法器第三级是主要偏置部分，使用运算放大器实现偏置。将信号输入运放同相端，并加入限流电阻。偏置电压加在运算放大器的同相端，将同相端电压提升，可实现输出信号与输入信号对比，信号电压被全部提高，从而可以将信号送至ARM，进行处理。ARM产生的信号通过隔直和阻容双T网络后，需要对其处理才可以再次送给ARM处理，为避免信号处理中产生延迟等现象，所以需要将不经过阻容双T网络的信号进行同样的信号处理。

②器件选择参数计算运放选择：

LM358：单位增益频带宽1MHz；

输出电压摆幅大0~Vcc-1.5V；

供电电源范围宽：单电源供电时3~30V，双电源供电±1.5V~±15V；低功耗电流，低输入偏流，低输入失调电压和失调电流；差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。LM324：单位增益频带宽1.2MHz；TL072：单位增益频带宽3MHz；供电电压±15V；转换速率高；

输入偏置电压3mV；

实际使用时，LM358和LM324在频率变高时，信号跟随部分出现失真，因其压摆率不满足，故使得输出有误，所以选择低噪声JFET输入运算放大器TLO72作为信号处理部分运放。③特殊器件介绍④电路原理图

图：信号处理电路原理图

4.频率特性测试①测试方法概述

幅频特性为信号在经过滤波器后放大倍数的大小和频率之间的关系。将两路信号送至ARM，经过A/D转换以后，通过积分法计算出对应平率下的有效值，求得比值，即幅频特性。相频特性为输入信号和输出信号的相位差与频率之间的关系，将A/D转换后的值仍用积分法算出其功率因数后可得到相位差。②软件设计思想③软件流程图④。。。

四、软件设计流程五、测试方法和结果

1.计算幅频相频特性绘制相位曲线

j2j2AVF1A0100Aj22jj1jj122AVF100Q00

计算得幅频特性和相频特性：

A0222A012220Q0242120Q0jarctgQ012/02

频率相位曲线如下：

Aj2.测试仪器

PC机，一台；

SDS1102FL数字双踪示波器一台；YB4340模拟双踪示波器一台；

WY-12±5V、±12V、0~+32V稳压源一台；XJ1643-02函数信号发生器一台；MF47T万用表一支。3.测试结果测试项目基本要求发挥要求制作频率特性测试仪频率范围100-100KHz频率步进10Hz频率稳定度10^-4测量精度5%自动步进测量，手动预置范围频率电压显示打印输出制作被测网络阻容双T中心频率5K带宽±50Hz相位度数显示测量精度3°符号显示幅频特性使用示波器显示同时显示幅频相频使用示波器显示其它电路测试结果实现实现实现实现实现f5位，v3位未实现实现4.95K±100Hz实现2°符号实现实现实现触屏键盘可实现任意步进，测量范围。双踪波形显示，相频特性及幅频特性显示及范围调节。4.结果分析六、设计总结

七、参考文献八、附

扩展阅读：201*年全国电子设计大赛题目简易频率特性测试仪(E题)

201*年全国大学生电子设计竞赛试题

参赛注意事项

（1）9月4日8:00竞赛正式开始。本科组参赛队只能在【本科组】题目中任选一题；高职

高专组参赛队在【高职高专组】题目中任选一题，也可以选择【本科组】题目。（2）参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。（3）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身

份的有效证件（如学生证）随时备查。（4）每队严格限制3人，开赛后不得中途更换队员。

（5）竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设计

制作，不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须避，对违纪参赛队取消评审资格。（6）9月7日20:00竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。

简易频率特性测试仪（E题）

【本科组】

一、任务

根据零中频正交解调原理，设计并制作一个双端口网络频率特性测试仪，包括幅频特性和相频特性，其示意图如图1所示。

Acost正交扫频信号源Asint

低通ADCI测量被测网络低通ADCQ显示

图1频率特性测试仪示意图二、要求1．基本要求

制作一个正交扫频信号源。

（1）频率范围为1MHz~40MHz，频率稳定度≤10-4；频率可设置，最小设置

单位100kHz。

（2）正交信号相位差误差的绝对值≤5，幅度平衡误差的绝对值≤5%。

E1/4

（3）信号电压的峰峰值≥1V，幅度平坦度≤5%。

（4）可扫频输出，扫频范围及频率步进值可设置，最小步进100kHz；要求

连续扫频输出，一次扫频时间≤2s。

2．发挥部分

（1）使用基本要求中完成的正交扫频信号源，制作频率特性测试仪。

a.输入阻抗为50，输出阻抗为50；

b.可进行点频测量；幅频测量误差的绝对值≤0.5dB，相频测量误差的绝对值≤5；数据显示的分辨率：电压增益0.1dB，相移0.1。

（2）制作一个RLC串联谐振电路作为被测网络，如图2所示，其中Ri和

Ro分别为频率特性测试仪的输入阻抗和输出阻抗；制作的频率特性测试仪可对其进行线性扫频测量。

a.要求被测网络通带中心频率为20MHz，误差的绝对值≤5%；有载品质因数为4，误差的绝对值≤5%；有载最大电压增益≥-1dB；b.扫频测量制作的被测网络，显示其中心频率和-3dB带宽，频率数据显示的分辨率为100kHz；

c.扫频测量并显示幅频特性曲线和相频特性曲线，要求具有电压增益、相移和频率坐标刻度。

o

R0LCRiusRou

图2RLC串联谐振电路

（3）其他。三、说明

1．正交扫频信号源必须自制，不能使用商业化DDS开发板或模块等成品，

自制电路板上需有明显的覆铜“201*”字样。

E2/4

2．要求制作的仪器留有正交信号输出测试端口，以及被测网络的输入、输

出接入端口。

3．本题中，幅度平衡误差指正交两路信号幅度在同频点上的相对误差，定

义为：U2U1

U1

4．本题中，幅度平坦度指信号幅度在工作频段内的相对变化量，定义为：

UmaxUmin100%。

100%，其中U2≥U1。

Umin

uo1us2

5．参考图2，本题被测网络电压增益取：Av20lg

6．幅频特性曲线的纵坐标为电压增益（dB）；相频特性曲线的纵坐标为相移

（）；特性曲线的横坐标均为线性频率（Hz）。

7．发挥部分中，一次线性扫频测量完成时间≤30s。四、评分标准项目方案论证主要内容比较与选择方案描述系统原理滤波器设计ADC设计被测网络设计特性曲线显示满分2设计报告理论分析与计算7电路与程序设计电路设计程序设计6测试方案及测试条件测试结果测试方案与测试结果完整性测试结果分析3E3/4

摘要设计报告正文的结构设计报告结构及规范图表的规范性性总分基本要求实际制作完成情况完成（1）发挥完成（2）部分其他总分

220501630450E4/4

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