【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 數(shù)為單位自行調(diào)整，所實(shí)現(xiàn)的主要功能和測(cè)量精度如下：a，幅度測(cè)量精度小于 。b，能在全頻范圍內(nèi)自動(dòng)步進(jìn)測(cè)量，可預(yù)置測(cè)量范圍及步進(jìn)頻率值。c，能直觀的顯示幅頻特性曲線(xiàn)，并能直接讀出頻率值及頻率所對(duì)應(yīng)的幅度值。d，能存儲(chǔ)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量結(jié)果。e，測(cè)量結(jié)果在 LCD 上顯示。f，輸出掃頻信號(hào)電壓分為兩個(gè)通道：通道 1 為（0 － 1Vpp） ，通道 2 為（0 － 10Vpp）頻率標(biāo)記信號(hào)分兩檔：頻標(biāo) 1 為步進(jìn)頻率的 1 倍；頻標(biāo) 2 為步進(jìn)頻率的 56 倍。g，掃頻信號(hào)的輸出衰減器衰減范圍：0 － 72dB。南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9 總體方案設(shè)計(jì)與論證通過(guò)對(duì)便攜式數(shù)字掃頻儀概念的理解和對(duì)技術(shù)指標(biāo)的分析可知，掃頻儀的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于掃頻信號(hào)源、檢波器,單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)，本文提出了兩個(gè)設(shè)計(jì)方案。 方案一介紹采用動(dòng)態(tài)測(cè)量法，即沖擊響應(yīng)測(cè)量的方法。如圖下所示，圖中 e(t)和 r(t)分別是系統(tǒng)時(shí)域中的激勵(lì)函數(shù)和零狀態(tài)響應(yīng)函數(shù)，假設(shè) e(t)和 r(t)的傅立葉變換分別是 E(jω)和 R(jω)，則系統(tǒng)的頻率特性 H（jω）可用式（21）計(jì)算： H（jω）＝R(jω)/ E(jω) （21）圖 22 沖擊響應(yīng)測(cè)量原理圖當(dāng)輸入激勵(lì)函數(shù) e(t)＝單位沖激函數(shù) δ(t)時(shí)，則輸出為系統(tǒng)的單位沖激響 h(t)，由于（1）式中的 E(jω)恒等于 1，于是就有 公式（22） 。 （）計(jì)算得到的 H (jω)為復(fù)數(shù)，包含了幅頻特性和相頻特性的完整信息。本方案可以采用目前的 DSP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)，只要產(chǎn)生一個(gè)沖激脈沖 δ(t)，并對(duì)輸出響應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換就能得到被測(cè)系統(tǒng)的頻率特性。 方案二介紹采用穩(wěn)態(tài)測(cè)量法，即掃頻法，如圖 23 所示。 第二章 便攜式掃頻儀器方案的選擇10微 控 制 器 C8051DDS掃頻源寬帶放大器 程控衰減器ADC轉(zhuǎn)換器鍵 盤(pán) 液晶顯示器被測(cè)網(wǎng)絡(luò)有效值檢波器圖 23 掃頻法測(cè)量硬件框圖掃頻法是運(yùn)用響應(yīng)信號(hào)與輸入信號(hào)的幅值比（即該頻率的幅頻響應(yīng)值）來(lái)反映網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性。本方案的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖 23，由微控制器 ATmega128 控制 DDS 掃頻源產(chǎn)生低頻掃頻信號(hào)，經(jīng)寬帶放大器將信號(hào)進(jìn)行放大，再由自動(dòng)電平控制控制掃頻信號(hào)的幅度值，最終產(chǎn)生幅度可控且穩(wěn)定的掃頻信號(hào)。由于被測(cè)網(wǎng)絡(luò)是線(xiàn)性非時(shí)變網(wǎng)絡(luò)，所以?huà)哳l信號(hào)經(jīng)過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后，在被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出端得到的是調(diào)幅波，此調(diào)幅波經(jīng)過(guò)有效值檢波，將載波濾出，最后進(jìn)入 ADC 轉(zhuǎn)換器的信號(hào)就是反映被測(cè)網(wǎng)絡(luò)幅頻特性的信號(hào)。經(jīng) ADC 進(jìn)行采樣處理，最后由微控制器將處理的采樣值送到液晶顯示器顯示，這樣被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性就直觀地顯示出來(lái)了。 方案比較方案一：采用動(dòng)態(tài)測(cè)量的方法，這種方法的好處是不需額外添加掃頻信號(hào)源，也不必添加幅度檢波電路和相位差檢測(cè)電路，因而硬件工作量小，測(cè)量時(shí)間比較短。但這種方法一般只適合用于低頻系統(tǒng)的測(cè)量中，例如音頻的分析、電聲系統(tǒng)的分析、振動(dòng)系統(tǒng)的南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11分析等。但在實(shí)際制作中需要制作一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)高的沖激激勵(lì)脈沖信號(hào)源，或者頻譜和統(tǒng)計(jì)特性滿(mǎn)足測(cè)量要求的任意波形或序列信號(hào)，還需要一定的數(shù)據(jù)采集速度以及數(shù)字信號(hào)處理計(jì)算能力，這些都不易實(shí)現(xiàn)。方案二：穩(wěn)態(tài)測(cè)量法適用于很寬的頻段，需要額外添加一個(gè)頻率可步進(jìn)或可掃頻的并符合相應(yīng)指標(biāo)要求的信號(hào)源，需要幅值檢波器，所需的儀器還包括掃頻、檢測(cè)和顯示的同步控制模塊，整個(gè)系統(tǒng)的硬件規(guī)模較方案一龐大多，數(shù)字計(jì)算的軟件工作量則相對(duì)較小。在被測(cè)量系統(tǒng)可以接受的安全輸入幅值范圍內(nèi)，激勵(lì)信號(hào)的全部能量都可以集中于某一頻率上，被測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)該頻率激勵(lì)的穩(wěn)態(tài)輸出信號(hào)分量的信噪比高，有利于提高測(cè)量精度。缺點(diǎn)是每次測(cè)量的是網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，需要等待網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，從而測(cè)量時(shí)間上比較長(zhǎng)。 總體方案確立綜合考慮上面兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，也考慮到我們所學(xué)的知識(shí)以及各方法可以實(shí)現(xiàn)的可能性，我們決定選用總體方案二 —— 穩(wěn)態(tài)測(cè)量法。相對(duì)于質(zhì)量要求很高的沖激激勵(lì)脈沖信號(hào)源來(lái)說(shuō)，掃頻信號(hào)源信號(hào)更容易實(shí)現(xiàn)。第三章 單元電路設(shè)計(jì)與分析12第三章 單元電路設(shè)計(jì)與分析本方案首先是由微控制器 ATmega128 控制 DDS 掃頻源 AD9851 產(chǎn)生特定的低頻掃頻信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)幅值放大電路，自動(dòng)電平控制電路加在被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入端，檢波電路則將被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出輸入給 ADC 轉(zhuǎn)換器，再送給微處理器 ATmega128，微處理器經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線(xiàn)并在 LCD192X64 上面顯示出來(lái)，由于本系統(tǒng)采用的芯片較多，各芯片的額定電壓不一，因此加入了復(fù)雜的電源電路。 單片機(jī)主控模塊的設(shè)計(jì)與分析 單片機(jī)簡(jiǎn)介ATmega128 是 ATMEL 公司的 8 位系列單片機(jī)的最高配置的一款單片機(jī)，穩(wěn)定性極高，應(yīng)用極其廣泛。（1）主要特性的介紹a，高性能、低功耗的 AVR 8 位微處理器b，先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu)– 133 條指令 – 大多數(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成– 32 x 8 通用工作寄存器 + 外設(shè)控制寄存器– 全靜態(tài)工作– 工作于 16 MHz 時(shí)性能高達(dá) 16 MIPS– 只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器c，非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器– 128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flashd，壽命: 10,000 次寫(xiě)/ 擦除周期– 具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū)e，通過(guò)片內(nèi)的啟動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程f，讀 修改 寫(xiě)操作– 4K 字節(jié)的 EEPROM– 4K 字節(jié)的內(nèi)部 SRAM– 多達(dá) 64K 字節(jié)的優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器空間– 可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)軟件加密南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13– 可以通過(guò) ISP 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程g，JTAG 接口 ( 與 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)兼容)– 遵循 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能– 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試– 通過(guò) JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對(duì) Flash, EEPROM, 熔絲位和鎖定位的編程(2) 外設(shè)特點(diǎn)– 兩個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位 定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器– 兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器– 具有獨(dú)立預(yù)分頻器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器– 兩路 8 位 PWM– 6 路分辨率可編程（1 到 16 位）的 PWM– 輸出比較調(diào)制器– 8 路 10 位 ADC– 8 個(gè)單端通道– 7 個(gè)差分通道– 2 個(gè)具有可編程增益（1x, 10x, 或 200x）的差分通道– 面向字節(jié)的兩線(xiàn)接口– 兩個(gè)可編程的串行 USART– 可工作于主機(jī) / 從機(jī)模式的 SPI 串行接口– 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器– 片內(nèi)模擬比較器（3） 特殊的處理器特點(diǎn)– 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)– 片內(nèi)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的 RC 振蕩器– 片內(nèi)/ 片外 中斷源– 6 種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及–擴(kuò)展的 Standby 模式– 可以通過(guò)軟件 進(jìn)行選擇的時(shí)鐘頻率– 通過(guò)熔絲位可以選擇 ATmega103 兼容模式第三章 單元電路設(shè)計(jì)與分析14– 全局上拉禁止功能（4）I/O 和封裝– 53 個(gè)可編程 I/O 口線(xiàn)– 64 引腳 TQFP 與 64 引腳 MLF 封裝 工作電壓– ATmega128L– ATmega128 速度等級(jí)– 0 8 MHz ATmega128L– 0 16 MHz ATmega128ATmega128TQFP 封裝現(xiàn)主要有這些型號(hào)：ATmega12816AU、ATmega12816AI。下面對(duì) ATmega128 的型號(hào)標(biāo)識(shí)進(jìn)行解析：型號(hào)緊跟的字母，表示電壓工作范圍。帶“L”： ；若缺省，不帶“L”：?！±?ATmega12816AU，不帶“L”表示工作電壓為 。后綴的數(shù)字部分，表示支持的最高系統(tǒng)時(shí)鐘?！±篈Tmega12816AU， “16”表示可支持最高為 16MHZ 的系統(tǒng)時(shí)鐘。后綴第一（第二）個(gè)字母，表示封裝。 “P”：DIP 封裝， “A”：TQFP 封裝， “M”：MLF封裝。　例：ATmega12816AU， “A”表示 TQFP 封裝。后綴最后一個(gè)字母，表示應(yīng)用級(jí)別。 “C”：商業(yè)級(jí)， “I”：工業(yè)級(jí)（有鉛） 、 “U”工業(yè)級(jí)（無(wú)鉛） 。　例：ATmega12816AU， “U”表示無(wú)鉛工業(yè)級(jí)。 ATmega12816AI， “I”表示有鉛工業(yè)級(jí)。（5）ATmega128 各引腳功能介紹Vcc: 數(shù)字電路的電源。GND:地。a，端口 A(PA7~PAO):端口 A 為雙向 I/O 口并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)特性,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí) ,若內(nèi)部上拉電阻使能,則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 A 為三態(tài)。端口 A 也可以用作其他不同的特殊功能。b，端口 B(PB7~PB0):端口 B 為 8 位雙向 I/O 口, 并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15輸出緩沖器具有對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)特性,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí) ,若內(nèi)部上拉電。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 B 為三態(tài)。端口 8 也可以用作其他不同.c，端口 C(PC7~PC0):端口 C 為 8 位雙向 I/0 口,并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)特性,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí) ,若內(nèi)部上拉電。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 C 為三態(tài)。端口 C 也可以用作其他不同的特殊功能。在 ATmegal 03 兼容模式下,端口 C 只能作為輸出,而且在復(fù)位發(fā)生時(shí)不是三態(tài)。d，端口 D(PD7~PD0):端口 D 為 8 位雙向 I/0 口,并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)特性,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí) .若內(nèi)部上拉電。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 D 為三態(tài)。端口 D 也可以用作其他不同。e，端口 E(PE7~PE0):端口 E 為 8 位雙向 I/0 口,并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 E 為三態(tài)。端口 E 也可以用作其他不同的特殊功能.。d，端口 F(PFT~PF0):端口 F 為 ADC 的模擬輸人引腳。如果不作為 ADC 的模擬輸 F 可以作為 8 位雙向 I/0 口, 并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)特性,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí) ,部電路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 F 為三態(tài)。如果使能了 JTAG 生時(shí)引腳 PF 7(TDI)、P