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1、简易综合测试仪作者：刘志垠 李通 周永豪（华中科技大学）赛前辅导教师：翁良科 文稿辅导教师：赵茂泰摘要：本作品为包含电平（电压）表和电平振荡器的简易综合测量仪。电平（电压）表采用真有效值/直流转换芯片AD637把被测交流信号电压转换为与其有效值相等的直流电压，再经过A/D转换器采样后得到被测信号的电压有效值。电平振荡器采用直接数字频率合成芯片AD9851进行频率合成，输出频率、增益可控的正弦波，并具有幅频特性测试和幅频特性数据存储回放功能。关键字：真有效值/直流转换 直接数字频率合成 一、方案论证与比较按照题目要求，整个系统包括电平（电压）表模块和电平振荡器模块两个部分。1电平（电压）表方案一
2、：通过高速A/D转换器对被测交流信号直接采样，再通过数据处理得到信号的电平值。方案二：先采用真有效值/直流转换器将被测的交流信号电压转换为与其有效值相等的直流电压，然后通过A/D转换器对该电压进行采样，即可得到被测交流信号的电平值。方案一对A/D转换器的采样速率和系统数据处理的速度要求较高，在实际设计中，为了保证足够的精度，采样间隙应尽量短，设在信号每个周期内采集64个点，则当被测信号的频率为1MHz时，采样频率就要达到64MHz，对器件的速度要求较苛刻。方案二首先通过真有效值/直流转换芯片实现了被测交流信号电压到于其有效值相等的直流电压的转换，再由A/D转换器对直流电压采样，这样就降低了对A
3、/D转换器采样速率的要求，并且降低了单片机对采样数据处理的难度。此外，方案二还适用于任意波形信号的电平测量。经比较，选用方案二。2电平振荡器方案一：采用分立元件，利用锁相环产生频率可控的时钟信号驱动地址计数器读取EPROM钟的波形数据，然后经D/A转换器转化为模拟信号输出。方案二：使用专用DDS芯片直接进行数字频率合成。方案一系统较复杂，且输出高频信号比较困难，例如要求输出1MHz信号，如果存储的波形数据为每周期64个点，则要求驱动地址计数器的锁相环输出信号频率达到64MHz，同样D/A转换器的转换速率也要达到64MHz，而普通的锁相环和D/A转换器都难以达到这样的要求。方案二采用直接数字频率
4、合成技术，并选用AD公司的DDS专用芯片AD9851，其输出信号频带宽、精度高，且芯片外围电路简单，功耗低，与设计要求完全吻合。鉴于上面的分析，采用方案二。二、系统总统设计方案及设计框图整个系统包含电平（电压）表和电平振荡器两个部分， 电平（电压）表能够对被测系统中各点的电平和幅频特性进行测量。被测信号经过前级增益控制器后，送入有效值转换模块，转换模块输出的电压经过AD采样后得到信号的电平有效值。电平振荡器中采用直接数字频率合成芯片AD9851进行频率合成，在1Hz2MHz的频率范围内实现了1Hz的频率步进，同时采用集成运放和电阻网络实现了30dB20dB 内步进为10dB的电平输出，在该范围
5、内各级电平都能得到无明显失真的正弦波。电平表总体框图如图1所示。 图1三、主要单元电路原理及理论分析计算整个系统电平（电压）表和电平振荡器两个部分组成，具体设计如下： 1电平（电压）表主要模块电路原理如下：（1）程控放大器模块题中要求电压测量显示范围为0.0019.99V，而后级有效值转换模块要求输入电压范围为0.77V（分析见模块2），因而需要进行量程转换。根据被测信号的大小把量程分为10V、1V和0.1V三档，相应放大倍数为0.2倍、2倍和20倍。首先通过模拟开关选通不同的电阻通道分别实现0.01倍、0.1倍和1倍的信号衰减，然后采用集成运算放大器把被测信号放大20倍，从而实现增益的调节。
6、因为经过放大器的信号最高频率为1MHz、最大增益为20倍，所以要求反相放大器中的运放增益带宽积为20MHz以上，选择高速运放AD817，增益带宽积为50MHz，满足设计要求并留有一定的欲度。输入端通过拨码开关SW，调节输入阻抗为600、高阻两档。电路原理图如图2。图2（2）真有效值转换模块题目要求有效值测量误差小于0.3dB，选用专用真有效值测量芯片AD637，其内部由硬件实现高精度的真有效值算法。当输入电压100mV时，带宽标称值600KHz；输入电压为2V时，带宽标称值8MHz。经实际测量，其在输入信号为2MHz以下、有效值为0.77V范围内能保证测量误差。当被测信号的有效值远小于1V时，
7、会出现较大的测量误差，所以当被测信号幅值较小时，须在前级对被测信号进行放大，以保证测量精度。真有效值转换器电路如图3。图3（3）模数转换模块由真有效值转换器输出与被测信号有效值相等的直流电压，由14位双积分型A/D转换器ICL7135对其进行采样，所得电压数据由单片机读取后经判断，反馈到前级程控放大器，从而使测量系统形成闭环控制，实现自动量程转换功能。最终稳定下来的测量值除以增益放大倍数即为被测信号电压有效值，经计算转换为电平值后在液晶屏上显示。其电路图如图4所示。图42电平振荡器设计电平振荡器要求输出频率范围为20Hz1MHz，为了简化电路的设计，选用了直接频率合成芯片AD9851，它内部包
8、含高速、高性能/转换器和高速比较器，以及6倍参考时钟倍乘器,可作为全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。外接精密时钟源时，AD9851可以产生一个频谱纯净、频率和相位都可以编程控制且稳定性很好的模拟正弦波。AD9851的最高工作频率为180MHz，最高输出频率为系统时钟的一半，四十位控制字（其中5位为相位控制，32位为频率控制）输入控制输出信号的相位频率，输出频率的计算公式为fout = (Phase X System Clock) / 通过计算，在外部时钟源为10M时，使用该芯片系统时钟6倍频的功能使系统时钟达到60M，输出信号的最高频率可以达到30M，完全可以满足1MHz输出频率的要求，
9、且步进精度高于1Hz。电平振荡器要求30dB20dB的步进为10dB的六级电平输出，其程控增益模块和电平表程控放大器原理相同。AD9851的输出级为内部的高速DAC，通过内部查表输出稳流型正弦信号。其输出电流通过反馈电阻Res来调节，最大输出电流为20mA，我们设置Res为3.92k,对应的输出电流为10mA。输出电流经电阻转化为电压输出，经过运放跟随送入电平控制网络进行调节，达到要求的六级电平输出。整个电平振荡器的电路如图5所示。图5三、算法与软件流程图本系统的控制模块采用了两块凌阳unSP061A十六位单片机，对电平表和电平振荡器进行分别控制，有效地降低了程序的编写、调试难度。在进行幅频测
10、量时，通过异步串行通讯（UART）在两机之间进行数据传送。在使用串口传送数据时使用多次校验的方法，保证数据准确，系统响应较好。1电平表软件流程图主程序：(图6)图6 主要分支程序流程图：（图7） 图72电平振荡器流程图主程序流程图：（图8）图8四、系统测试测试仪器：TDS1002 示波器 EE1641B型函数信号发生器 1电平（电压）表测试对不同频率信号的测试结果如下：a. 被测信号的频率为100kHz时输入电压Vpp（V）21.92.190.219电压表测量值（V）7.770.778 0.080电平表测量值（dB） 19.9 0.2 19.7表1b. 被测信号的频率为500kHz时输入电压V
11、pp（V）21.92.190.219电压表测量值（V）7.560.751 0.080电平表测量值（dB） 19.6 0.2 19.7表22电平振荡器测试结果a功能测试：输出频率范围1Hz2M，通过键盘实现该范围内任意频率的设置，以及分别为10Hz，100Hz，1kHz的步进。输出电平范围-30dB+20 dB，步进值为10dB。b为测试不同频率下输出电平的误差，固定输出电平0dB（775 mV）时，在不同频率下的实际输出下输出频率（Hz）1201k10k100k1M1.5M2.5M输出电压值（mV）772772775774769766758750表3五、测试性能分析测试结果表明综合测量仪的主要
12、指标达到或超过了赛题要求。电平（电压）表，具有自动量程转换功能，当被测信号频率在20 Hz1MHz，有效值在-57.8dB+20.0 dB内时，能够实现误差范围内的自动测量。电平振荡器，在1Hz2MHz的频率范围内实现了任意频率的设置，以及1Hz的频率步进，30dB20dB 内步进为10dB的电平输出，在该范围内各级电平都能得到基本无失真的正弦波。AbstractThe design is a simple integrative measure instrument ,including voltage measuring part and wave producing part. Volt
13、age measuring part employs RMS-to-DC converter AD637 to transform AC singal to DC singal which is equal to RMS of the AC singal. The DC singal is gathered by A/D converter. Wave producing part employs Derect Digital Frequency Synthesis CMOS chip AD9851 to produce a sine wave ,whose frequency and plu
14、s can be controled. And it has the function of testing the frequency and breadth and store the data of them.参考文献：1谢自美. 电子线路设计、实验、测试（第二版）M. 武汉：华中理工大学出版社. 2000.2薛钧义、张彦斌、樊波等. 凌阳十六位单片机原理及应用M. 北京：北京航空航天大学出版社. 2003.3全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选（19941999）C. 北京：北京理工大学出版社 .2003.4全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选（2001）C. 北京：北京理工大学出版社 .2003.EB/01 http:/.EB/02 http:/2
