虛擬數(shù)字音頻掃頻儀的設(shè)計

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

在電子測量中，經(jīng)常涉及到對網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性和傳輸特性進(jìn)行測量的問題，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。用于測量上述特性的儀器被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(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，這種儀器存在價格高、體積大、精度低等缺陷，不便于用戶實際使用。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來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，本文提出了一種簡易的數(shù)字化掃頻儀的設(shè)計方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對待測網(wǎng)絡(luò)的音頻特性進(jìn)行測試的功能。

1 掃頻信號產(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N位加法器和1個N位寄存器組成，其作用是對頻率控制字φ進(jìn)行線性累加，正弦查找表中對應(yīng)的是一張函數(shù)波形查尋表。對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)時鐘fclk作用下進(jìn)行線性相位累加，當(dāng)相位累加器加滿時就會產(chǎn)生一次溢出。這就完成了DDS信號的一個頻率周期。

輸出信號的頻率為:

式中:fclk為參考時鐘頻率，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的輸出信號的頻率，只要改變頻率控制字φ即可。

本設(shè)計根據(jù)上述DDS原理，利用DSP芯片通過軟件編程的方式來產(chǎn)生掃頻信號。軟件實現(xiàn)DDS的基本思路為:相位累加器由幾條語句來實現(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實現(xiàn)。其中掃頻信號產(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 幅頻特性測試原理

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

本設(shè)計的幅頻特性測試編程思路為:用ePWM中斷子程序產(chǎn)生單頻掃頻信號，并通過置位標(biāo)志位的方式通知主程序，主程序記錄當(dāng)前待測網(wǎng)絡(luò)輸出端的頻率;然后啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并對當(dāng)前待測網(wǎng)絡(luò)輸出端的信號進(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

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)計的時鐘采用20 MHz無源晶振，經(jīng)TMS320F2808內(nèi)部的鎖相環(huán)倍頻后獲得100 MHz的CPU時鐘。

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。TMS320F2808輸出占空比可變的PWM信號，經(jīng)該濾波電路處理后，輸出幅度為0～3 V的正弦信號，即掃頻信號。

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)計方法。該電路的截止頻率是ADC采樣頻率的一半，可實現(xiàn)抗混疊的作用。待測網(wǎng)絡(luò)的輸出信號通過該電路進(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

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方案，即將實現(xiàn)特定功能的每個子程序組成一個功能模塊，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時鐘通過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)高速時鐘為系統(tǒng)時鐘的2分頻，外設(shè)低速時鐘為系統(tǒng)時鐘的4分頻，使能PWM、ADC、SCI時鐘。

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)獲得單頻信號的幅值，SCI中斷負(fù)責(zé)發(fā)送單頻信號頻率與幅值到PC機(jī)和接收PC機(jī)下發(fā)來的命令。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)前累計的頻率點數(shù);B為相位累加器的值;K為頻率控制字;D為每種單頻信號的采樣點數(shù);E為音頻范圍內(nèi)總的頻率點數(shù);F為各單頻信號的采樣點數(shù)，即為相位累加器的位數(shù)。

5 測試結(jié)果

對系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試，本設(shè)計制作了1個雙T帶阻濾波器。本設(shè)計使用TDS1002示波器進(jìn)行測試，示波器的頻率范圍為60 MHz，滿足本設(shè)計的測試要求。在選取的各頻率點處，首先用示波器測量該帶阻濾波器的輸入、輸出信號的幅度值;然后計算出掃頻信號通過該帶阻濾波器后在各頻率點處的幅度增益;最后將計算結(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試結(jié)果如表1所示。由表1所示數(shù)據(jù)可知，本設(shè)計的測量誤差控制在4%以內(nèi)，說明系統(tǒng)具有較高的測量精度，滿足系統(tǒng)要求。

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

6 結(jié)束語

本文設(shè)計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)可存儲等特點，測試誤差控制在4%以內(nèi)，能夠直觀地測試被測網(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，它可以作為通用測試儀器，在電子產(chǎn)品開發(fā)中對音頻范圍內(nèi)的被測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行幅頻特性的測試，便于開發(fā)人員調(diào)整設(shè)計方案和設(shè)計參數(shù)。該設(shè)計的不足之處在于其沒有實現(xiàn)對待測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相頻特性測試的功能，這將是下一步開發(fā)的重點完善之處。

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