基于MCU和FPGA的波特儀的設(shè)計(jì)

1、2008年7月第7期電子測(cè)試EL ECTRON IC TEST J UL.2008NO.7 55電子測(cè)試E LECTRONIC TEST3基金項(xiàng)目:2005山東省教育廳項(xiàng)目EDA 技術(shù)在實(shí)際電子電路中優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的資助基于MCU 和FPGA 的波特儀的設(shè)計(jì)3胡澤民,姚曉亮,楊林杰(山東大學(xué)威海分校威海264209摘要:頻率響應(yīng)特性是電路系統(tǒng)的重要性能指標(biāo),對(duì)電路的實(shí)際應(yīng)用有著重要的意義,波特圖是研究頻率響應(yīng)特性的重要手段。本文基于波特儀的工作原理,系統(tǒng)采用單片機(jī)(A T89S52和FP GA 為控制核心,通過(guò)對(duì)前級(jí)信號(hào)的調(diào)理及程控放大,對(duì)低頻段(0100k Hz 的數(shù)字脈沖鑒相,有效值轉(zhuǎn)換,及

2、對(duì)電路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行幅頻特性曲線和相頻特性曲線的掃描,利用FP GA 進(jìn)行頻率檢測(cè)和相位差檢測(cè),用單片機(jī)作為顯示及用戶界面的控制核心,從而實(shí)現(xiàn)了波特儀的功能。通過(guò)對(duì)雙T 網(wǎng)絡(luò)幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)特性的測(cè)試,并與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)證明該波特儀測(cè)試頻率范圍較廣、系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。關(guān)鍵詞:單片機(jī);FP GA ;鑒相;鑒頻;波特圖;頻率響應(yīng)中圖分類號(hào):TP216文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADesign of inst rument for measurement baudbased on MCU and FP GAHu Zemin ,Yao Xiaoliang ,Yang Linjie(Shandong Universit

3、y at Weihai ,Weihai 264209,China Abstract :The f requency response characteristic of circuit system is a very important perform 2ance quality ,and makes great significance to it s practicality.Bode plot is a usef ul way to st udy t he f requency response characteristic.The design based o n t he p ri

4、nciples of inst rument of measurement baud ,t he system takes t he MCU (A T89S52and FP GA as control core ,and t hen makes adjust of t he former signal and uses p rogrammable gain amplify ,makes digital p ulse of low frequency (0100k Hz to PD ,t ransforms into virt ual value.Through to scan t he plo

5、t of t he amplit ude frequency characteristic and p hase f requency characteristic of t he circuit network ,uses FP GA to make PD and FD ,and takes MCU as display and U ser Interface cont rol core.Then realize t he f unction of inst rument of measurement baud.Through testify t he amplit ude and p ha

6、se f requency characteristic of t he Double 2T circuit network ,and t hen compared to t he simulation data ,t he test validate t hat t his inst rument can testify wide frequency bound and de 2signed simply.K eyw ords :MCU ;FP GA ;PD ;FD ;Bode plot ;frequency response2008.7Application of MCU &PLD

7、 電子測(cè)試E LECTRONIC TEST560引言頻率特性是各種電路系統(tǒng)及電子儀器的重要性能指標(biāo),尤其是模擬和高頻電子線路中,系統(tǒng)的頻率特性尤為重要,頻率特性分為幅值特性和相頻特性。在高頻放大器、網(wǎng)絡(luò)的線性度分析、伺服電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)等各種情況下,均需要對(duì)頻率特性進(jìn)行分析測(cè)量。1總體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)框圖系統(tǒng)采用單片機(jī)和FP GA 共同控制的方案,掃頻信號(hào)選用DDS 技術(shù)產(chǎn)生,采用模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行通道選擇實(shí)現(xiàn)了在系統(tǒng)自檢測(cè)相和被測(cè)網(wǎng)絡(luò)特性測(cè)試間的切換,并選用真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD536實(shí)現(xiàn)了峰值檢測(cè),采用脈沖計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)了相位檢測(cè),系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。圖1波特儀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖2主要功能電路的設(shè)計(jì)2.1模

8、擬電路設(shè)計(jì)部分該整形電路工作范圍:幅值范圍50mV 8V ,頻率范圍20Hz 1M Hz ;其中當(dāng)1V 以上信號(hào)輸入時(shí),100k Hz 內(nèi)可以保持兩路信號(hào)相位差不變(誤差0.1°。電路分為4部分,阻抗變換(前置放大,放大限幅,電平轉(zhuǎn)換,脈沖整形。微處理器及可編程器件應(yīng)用2008.7 57電子測(cè)試E LECTRONICTEST圖2顯示電路2.2FPG A 部分設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需要的掃頻信號(hào)源、移相信號(hào)源、頻率測(cè)試控制、相位差測(cè)量控制、頻率特性顯示控制等模塊均由FP GA 完成,以下就主要模塊的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行相應(yīng)說(shuō)明。當(dāng)系統(tǒng)用做相位差測(cè)量?jī)x的時(shí)候,就需要對(duì)輸入信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量。本系統(tǒng)采用等精度

9、測(cè)頻方案。在單片機(jī)門控GA TE 的控制下對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行40M Hz 脈沖填充計(jì)數(shù),由單片機(jī)讀取計(jì)數(shù)值即可計(jì)算出待測(cè)頻率,其電路如圖3所示。圖3頻率測(cè)量控制作為波特儀測(cè)量控制的核心部分,為了力求減小因單片機(jī)的控制而引起的測(cè)量誤差。采用動(dòng)態(tài)門控測(cè)量控制,我們對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字脈沖鑒相的控制進(jìn)行了改進(jìn)。電路設(shè)計(jì)如圖4所示。電路的核心部分是異或門鑒相電路,對(duì)計(jì)數(shù)門2008.7Application of MCU &PLD 電子測(cè)試E LECTRONIC TEST58控采取動(dòng)態(tài)技術(shù):即利用其中一路輸入脈沖進(jìn)行8分頻,因此而得到一個(gè)寬度隨信號(hào)頻率變化而變化的動(dòng)態(tài)“門控”,隨著頻率的升高,測(cè)量速度也隨之加

10、快。電路工作時(shí)序仿真圖如圖5所示。3系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)測(cè)量模塊主要實(shí)現(xiàn)掃頻測(cè)量和相位差測(cè)量功能。要求能預(yù)置掃頻范圍,步進(jìn),幅度,并顯示掃頻過(guò)程中的數(shù)據(jù),程控輸入信號(hào)幅度,控制示波器光標(biāo)位置等,故使用3×6鍵盤(pán)和128×64點(diǎn)陣液晶作為人機(jī)交互界面,并通過(guò)232串口與從機(jī)通信,通過(guò)A T89S52的P3.4,P3.5與從機(jī)實(shí)現(xiàn)同步。軟件流程圖如圖6所示。微處理器及可編程器件應(yīng)用2008.7 59電子測(cè)試E LECTRONICTEST圖6軟件流程4測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)試儀器及型號(hào)采用:自制穩(wěn)壓電源(可提供5V ,±2V ,±15V 的電源;直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源:SG1733S

11、B3A ;數(shù)字示波器:Tekt ronix TDS 100260M Hz ;模擬示波器:GOS 26051;使用自制波特儀對(duì)雙T 網(wǎng)絡(luò)幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)特性進(jìn)行測(cè)試,并與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,可驗(yàn)證檢驗(yàn)儀器的指標(biāo)。在三組測(cè)試中輸入信號(hào)峰峰值分別為500mV ,2V ,4V ,頻率從20Hz 到300k Hz 頻段的正弦波作為輸入信號(hào),以此來(lái)檢測(cè)雙T 網(wǎng)絡(luò)的幅頻響應(yīng)及相頻響應(yīng)特性。測(cè)試結(jié)果如表1所示。表1測(cè)試結(jié)果響應(yīng)頻率/Hz500mV2V4V增益相位增益相位增益相位20-1.1-0.2-0.2-0.4-0.1-0.31003.6-0.43.9-0.23.9300k 2008. 7 Applicat

12、ion of MCU & PLD 輸入信號(hào)峰峰值為 500 mV 時(shí) ,仿真的幅頻響 應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線如圖 7 所示 。 5 結(jié) 論 在高頻放大器 、 網(wǎng)絡(luò)的線性度分析時(shí)均需要對(duì) 頻 率 特 性 進(jìn) 行 分 析 測(cè) 量 。系 統(tǒng) 采 用 單 片 機(jī) ( A T89S52 和 FP GA 為控制核心 , 利用 FP GA 的 高速進(jìn)行鑒頻和鑒相 , 同時(shí)采用等精度鑒頻原理 , 使系統(tǒng)能夠達(dá)到精度要求 ,系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)表明本 設(shè)計(jì)方案具有較好的應(yīng)用價(jià)值 。 參考文獻(xiàn) 圖7 峰峰值 500 mV 輸入信號(hào)峰峰值為 2 V 時(shí) ,仿真的幅頻響應(yīng)和 相頻響應(yīng)曲線如圖 8 所示 。 1 張志良 .

13、 單片機(jī)原理與控制技術(shù) M . 北京 : 機(jī)械工 業(yè)出版社 ,2006. 2 楊小川 . Protel DXP 設(shè)計(jì)指導(dǎo)教程 M . 北京 : 清華 大學(xué)出版社 ,2003 年 . 3 王幸之 ,鐘愛(ài)琴 ,王雷 ,等 . A T89 系列單片機(jī)原理與 接口技術(shù) M . 北京 : 北京 航空航 天大 學(xué)出版 社 , 2004. 4 謝自美 . 電子電路設(shè)計(jì) 、 實(shí)驗(yàn) 、 測(cè)試 M . 武漢 : 華中 圖8 峰值為 2 V 科技大學(xué)出版社 ,2000. 5 王振營(yíng) , 李滿 , 楊君 . ProtelDXP 2004 電路設(shè)計(jì)與制 輸入信號(hào)峰峰值為 4 V 時(shí) ,仿真的幅頻響應(yīng)和 相頻響應(yīng)曲線如圖 9 所示 。 板實(shí)用教程 M . 北京 : 中國(guó)鐵道出版社 ,2006. 6 Altera 公司 . Cyclone II DataSheet Z . www. altera. com. cn. 7 田磊 . 基于 A T89C2051 的智能頻率計(jì)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì) 8 張劍平 . 智能化檢測(cè)系統(tǒng)及儀器 M . 北京 : 國(guó)防工 J . 電子測(cè)試 ,2008 (1 :24228. 264209 業(yè)出版社 ,2005. 作者簡(jiǎn)介 圖9 峰峰值為 4 V 通過(guò)與仿真測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比 ,經(jīng)過(guò)測(cè)試本系統(tǒng)達(dá) 到的指標(biāo)如下 : ( 1 測(cè)試范圍 : 頻率范圍 :0400 k