一种频率特性测试仪的设计

实验四系统频率特性测量一、实验目的1、加深了解系统及元件频率特性的物理概念。

2、掌握系统及元件频率特性的测量方法。

二、实验设备1、D1CE-AT-∏型自动控制系统实验箱一台2、带串口计算机一台3、RS232串口线三、实验原理及电路1、被测系统的方块图及原理:系统(或环节)的频率特性G(jω)是一个复变量，可以表示成以角频率3为参数的幅值和相角:G(M=IG(%)I∕G(网本实验应用频率特性测试仪测量系统或环节的频率特牲。

图4-1所示系统的开环频率特性为:B(jω)B(ιω)B(jω)G3)GR3)H(j3)=叼舟I/追采用对数幅频特牲和相频特性表示，则式(4-2)表示为:(4—1) (4-2)图4-1被测系统方块图2。

IgGG3)G∕)Hg)H。

啕需I=2(Hg1BG3-2(Hg1EG3)I (4—3) C⅛Gω)G<jω)HGω)=/*线=∕BQω)-EGω)(4-4)E(j3)将频率特性测试仪内信号发生器产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化，并施加于被测系统的输人端Et)］,然后分别测量相应的反馈信号［b⑴］和误差信号［e(t)］的对数幅值和相位。

频率特性测试仪测试数据经相关运算器后在显示器中显示。

根据式(4—3)和式(4—4)分别计算出各个频率下的开环对数幅值和相位，在半对数座标纸上作出实验曲线：开环对数幅频曲线和相频曲线。

根据实验开环对数幅频曲线画出开环对数幅频曲线的渐近线，再根据渐近线的斜率和转角频确定频率特性(或传递函数)。

所确定的频率特性(或传递函数)的正确性可以由测量的相频曲线来检验，对最小相位系统而言，实际测量所得的相频曲线必须与由确定的频率特性(或传递函数)所画出的理论相频曲线在一定程度上相符，如果测量所得的相位在高频(相对于转角频率)时不等于一900(q—p)［式中P和q分别表示传递函数分子和分母的阶次］，那么，频率特性(或传递函数)必定是一个非最小相位系统的频率特性。

频率特性测试仪的设计1引言频率特性是一个网络性能最直观的反映。

频率特性测试仪用于测量网络的幅频特性和相频特性，是根据扫频法的测量原理设计，是一种快速、简便、实时、动态、多参数、直观的测量仪器，可广泛应用于电子工程等领域。

由于模拟式扫频仪价格昂贵，不能直接得到相频特性，更不能打印网络的频率响应曲线，给使用带来诸多不便。

为此，设计了低频段数字式频率特性测试仪。

该测试仪采用数字直接频率合成技术专用的集成电路AD9851产生扫频信号，以单片机和FPGA为控制核心,通过A/D和D/A转换器等接口电路，实现扫频信号频率的步进调整、数字显示及被测网络幅频特性与相频特性的数显等。

该系统成本低廉，扫频范围较宽(10 Hz〜1MHz), 可方便地与打印机连接，实现频率特性曲线的打印。

2多功能计数器设计方案2.1幅频和相频特性测量方案方案1：利用公式H(s)=R(s)/E(s),以冲击函数为激励，则输出信号的拉氏变换与系统函数相等。

但是产生性能很好的冲击函数比较困难，需要对采集的数据做FFT变换，需要占用大量的硬件和软件资源，且精度也受到限制。

方案2：扫频测试法。

当系统在正弦信号的激励下，稳态时，响应信号与输入激励信号频率相同，其幅值比即为该频率的幅频响应值，而两者的相位差即为相频特性值。

采用频率逐点步进的测试方法。

无需对信号进行时域与频域的变换计算，通过对模拟量的测量与计算完成，且精度较高。

综上所述，选择方案2。

2.2扫描信号产生方案方案1：采用单片函数发生器。

其频率可由外围电路控制。

产生的信号频率稳定度低，抗干扰能力差，灵活性差。

方案2：采用数字锁相环频率合成技术。

但锁相环本身是一个惰性环节，频率转换时间长，整个测试仪的反应速度就会很慢,而且带宽不高。

方案3：采用数字直接频率合成技术(DDFS)。

以单片机和FPGA为控制核心，通过相位累加器的输出寻址波形存储器中的数据，以产生固定频率的正弦信号。

该方案实现简单，频率稳定，抗干扰能力强。

频率特性测试仪工作原理1、扫频仪工作原理扫频仪实质上是扫频信号源与示波器X-Y方式的结合。

其组成框图及工作波形如图1所示。

图1 扫频仪组成框图及工作波形扫频信号源，即频率受控振荡器，在扫描信号u1掌握下产生扫频信号u3。

扫描信号源产生的扫描信号u1、扫频起停掌握信号u2分别是扫频信号源的频率掌握信号及停振掌握信号，u1还是示波器的水平扫描信号。

当扫频信号u3为锯齿波电压时，由于正程扫描速度慢，回程扫描速度快，使得扫描正程、扫描回程得到的波形不重合而无法观测，当扫频信号u3为正弦波电压号，u3在扫描回程时停振，使显示出的波形为被测波形和用作水平轴的水平回扫线的组合。

检波探头用于解调出经过被测电路的扫频信号的振幅（包络）变化状况，得到被测电路的幅频特性曲线。

频标形成电路用于产生进行频率标度的频标信号，以便读出各点对应的频率值。

2、产生扫频信号的方法产生扫频信号的方法许多，比较常用的是变容二极管扫频。

图2为变容二极管扫频振荡器原理图，其中VT1组成电容三点式振荡器，变容二极管VD1、VD2与L1、L2及VT1的结电容组成振荡回路，C1为隔直电容，L3为高频扼流圈。

调制信号经L3同时加至变容管VD1、VD2的两端，当调制电压随时间作周期性变化时，VD1、VD2结电容的容量也随之变化，从而使振荡器产生扫频信号。

图 2 变容二极管扫频振荡器原理图变容二极管变容二极管：又称“可变电抗二极管”。

是一种利用PN结电容（势垒电容)与其反向偏置电压Vr的依靠关系及原理制成的二极管。

所用材料多为硅或砷化镓单晶，并采纳外延工艺技术。

反偏电压愈大，则结电容愈小。

主要参量是：零偏结电容、零偏压优值、反向击穿电压、中心反向偏压、标称电容、电容变化范围（以皮法为单位）以及截止频率等，对于不同用途，应选用不同C和Vr特性的变容二极管，如有专用于谐振电路调谐的电调变容二极管、适用于参放的参放变容二极管以及用于固体功率源中倍频、移相的功率阶跃变容二极管等。

频率特性测试仪的使用一,实验目的1,了解频率特性测试仪的工作原理和结构;2,了解调谐放大器的幅频特性;3,掌握正确设置频率特性测试仪的各项参数;4,掌握频率特性测试仪的实际操作和应用方法;二,实验设备及器材1,频率特性测试仪(以BT3系列为例) 1台2,电缆探头 1套3,隔直电容(510pF),隔离电阻各1只4,电源及附属设备 1套5,被测网络(中频放大器) 1套6,连接线若干三,实验原理(说明)1,频率特性测试仪的工作原理频率特性测试仪(简称扫频仪),主要用于测量网络的幅频特性.它是根据扫频法的测量原理设计而成的.简单地说,就是将扫频信号源和示波器的X-Y显示功能结合在一起,用示波管直接显示被测二端网络的频率特性曲线,是描绘网络传递函数的仪器.这是一种快速,简便,实时,动态,多参数,直观的测量仪器,广泛地应用于电子工程等领域.例如,无线电路,有线网络等系统的测试,调整都离不开频率特性测试仪.频率特性测试仪主要由扫频信号发生器,频标电路以及示波器等组成,其组成框图如图6-4中的虚线框内所示.检波探头(扫频仪附件)是扫频仪外部的一个电路部件,用于直接探测被测网络的输出电压,它与示波器的衰减探头外形相似(体积稍大),但电路结构和作用不同,内藏晶体二级管,起包络检波作用.由此可见,扫频仪有一个输出端口和一个输入端口:输出端口输出等幅扫频信号,作为被测网络的输入测试信号;输入端口接收被测网络经检波后的输出信号.可见,在测试时频率特性测试仪与被测网络构成了闭合回路.扫频信号发生器是组成频率特性测试仪的关键部分,它主要由扫描电路,扫频振荡器,稳幅电路和输出衰减器构成.它具有一般正弦信号发生器的工作特性,输出信号的幅度和频率均可调节.此外它还具有扫频工作特性,其扫频范围(即频偏宽度)也可以调节.测量时要求扫频信号的寄生调幅尽可能小.2,频率特性测试仪的应用(1)检查示波器部分检查项目有辉度,聚焦,垂直位移和水平宽度等.首先接通电源,预热几分钟,调节"辉度,聚焦,Y轴位移",使屏幕上显示度适中,细而清晰,可上下移动的扫描基线. (2)扫频频偏的检查:调整频偏旋钮,使最小频偏为±0.5MHz,最大频偏为±7.5MHz.(3)输出扫频信号频率范围的检查:将输出探头与输入探头对接,每一频段都应在屏幕上显示一矩形方框.频率范围一般分三档:0～75MHz,75～50MHz,150～300MHZ,用波段开关切换.(4)检查内,外频标检查内频标时,将"频标选择"开关置"1MHZ"或"10MHZ"内频标,在扫描基线上可出现1MHZ或10MHZ的菱形频标,调节"频标幅度"旋钮,菱形频标幅度发生变化,使用时频标幅度应适中,调节"频偏"旋钮,可改变各频标间的相对位置.若由外频标插孔送入标准频率信号,在示波器上应显示出该频率的频标.(5)零频标的识别方法频标选择放在"外接"位置,"中心频率"旋钮旋至起始位置,适当旋转时,在扫描基线上会出现一只频标,这就是零频标.零频标比较特别,将"频标幅度"旋钮调至最小仍出现.(6)检查扫频信号寄生调幅系数用输出探头和输入探头分别将"扫频信号输出"和"Y轴输入"相连,将"输出衰减"的粗细衰减旋钮均置0Db,选择内频标(如1MHZ),在屏幕上会出现一个以基线为零电平的矩形图形,调整中心频率度盘,扫频信号和频标信号都会移动,调节显示部分各旋钮,使图形便于观测,记下最大值A,最小值B,则扫频信号寄生调幅系数为M=(A-B)/(A+B)×100%要求在整个波段内,m7.5%.(7)检查扫频信号非线性系数"频标选择"开关置于"1MHZ",调节"频率偏移"为7.5MHZ,记下最低,最高频率与中心频率f0的几何距离A,B,则扫频信号非线性系数为γ=(A-B)/(A+B)×100%要求在整个波段内,r20%.(8)"1MHZ"或"10MHZ"频标的识别方法找到零频标后,将波段开关置于"Ι","频标幅度"旋钮调至适当位置,将频标选择放在"1MHZ"位置,则零频标右边的频标依次为1MHZ,2MHZ… ….将频标选择放在"10MHZ"位置,则零频标右边的频标依次为10MHZ,20MHZ… …,两大频标之间频率间隔10MHZ,大频标与小频标之间频率间隔5MHZ.(9)波段起始频标的识别方法"频标幅度"旋钮调至适当位置,频标选择放在"10MHZ","频率偏移"最小.将波段开关置∏,旋转"中心频率"旋钮,使扫描基线右移,移动到不能再移的位置,则屏幕中对应的第一只频标为70MHZ,从左到右依次为80MHZ, ……,150MHZ.将波段开关置Ш,则屏幕中对应的第一只频标为140MHZ,识别频标方法相同.(10)扫频信号输出的检查:将两个输出衰减均置于0dB.将输出探头与输入检波探头对接(即将两个探头的触针和外皮分别连在一起).这时,在扫频仪的荧光屏上应能看到一个由扫描基线和扫描信号线组成的长方图形.然后调整中心频率刻度盘,随着中心频率的变化,扫描信号线和频标都随着移动.要求在整个频段内的扫描信号线没有明显的起伏和畸变.并检查扫描信号的输出衰减和Y轴增益钮是否起作用.2,频率特性测试仪的使用注意事项(1)测量时,输出电缆和检波探头的接地线诮尽量短,切忌在检波头上加接导线;被测网络要注意屏蔽,否则易引起误差.(2)当被测网络输同端带有直流电位时,Y轴输放应选用AC耦合方式,当被测网络输入端带有直流电位时,应在扫频输出电缆上串接容量较小的隔直电容.(3)正确选择探头和电缆..BT-3测试仪附有四种探头及电缆:①输入探头(检波头):适于被测网络输出信号未经过检波电路时与Y轴输入相连.②输入电缆:适于被测网络输出信号已经过检波电路时与Y轴输入相连.③开路头:适于被测网络输入端为高阻抗时,将扫频信号输出端与被测网络输入相连.④输出探头(匹配头):适于被测网络输入端具有75特性阻抗时,将扫频信号输出端与被测网络输入相连.四,实验预习要求。

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。

频率特性测试仪实验报告实验目的：1、了解频率特性测试仪的工作原理2、学会设计一个双T被测网络，并且能够达到所给要求3、了解频率特性测试仪设计的整体系统设计，以及各子系统设计的方案思路4、掌握频率特性测试仪的信号源产生方法，并能够设计DDS信号源电路5、掌握频率测试仪的检波显示原理并能够设计一个符合要求的峰值检波器。

实验原理：频率测试仪就是一个扫频仪，它体现的是输出电压随频率变化的关系。

它是根据扫频法的测量原理设计而成的，就是将扫频信号源和示波器的X-Y显示功能结合在一起，用示波管直接显示被测二端网络的频率特性曲线，是描绘网络传递函数的仪器。

频率特性测试仪组成框图扫频仪有一个输出端口和一个输入端口：输出端口输出等幅扫频信号，作为被测网络的输入测试信号；输入端口接收被测网络经检波后的输出信号。

可见，在测试时频率特性测试仪与被测网络构成了闭合回路。

一个频率测试仪应该有三个部分组成：信号源、被测网络和检波及显示部分。

扫频信号源：频率由低到高或由高到低变化的正弦波振荡源，称为扫频。

频率的变化可以是连续的，也可以是步进式的。

扫频信号的幅度、扫频的频率变化范围可以方便地控制。

扫频的速度与测量仪的其他部分的工作同步。

扫频信号源在扫频过程中，通过采用ALC（自动电平控制）技术使幅度保持一致（可视为恒等于1），这样，可省去对输入激励信号的幅度测量和求输出输入幅度比值的运算。

信号源的产生方法有多种，按需要可做成点频（连续波CW)，频率自动步进(STEP)，频率连续变化（扫频SWEEP)等形式。

采用锯齿波电压作为压控扫频振荡器（VCO）的控制量，同时用作显示的X 轴扫描电压以达到扫频和曲线显示的同步。

标量网络分析仪只作幅频测量，而矢量网络分析仪还作相频特性测量。

网络分析仪对信号源的质量要求比扫频仪高，通常采用频率合成器作为扫描源，合成器的频率由数字量控制。

常见的扫频信号产生方法：压控振荡（VCO ），函数发生器、锁相环（PLL ：Phase Lock Loop ）频率合成器、直接数字频率合成或直接数字合成（DDFS ，或DDS ）和PLL+DDS本题属低频测试系统，DDS 信号源和8038芯片制作的VCO 信号源（反馈稳频或PLL ）都可以采用。

项目6 频率特性分析仪 (1)6.1 项目任务 (1)6。

1。

1 知识点 (1)6。

1.2 技能点 (1)6。

2 项目知识 (1)6.2。

1 扫频仪概述 (1)6.2.2 扫频仪基本原理 (2)6.2。

3 主要技术指标 (5)6.3 项目实施 (7)6.3.1 BT—3C型频率特性测试仪简介 (7)6。

3。

2 操作实例 (11)6。

3.3使用注意事项 (20)项目6 频率特性分析仪6.1 项目任务6.1。

1 知识点1。

频率特性分析仪(简称扫频仪）的类型、基本结构与用途。

2. 扫频仪的主要性能指标.3. 扫频仪的面板结构，并绘出扫频仪的面板示意图.4。

扫频仪的选择、使用及注意事项.6.1。

2 技能点使用扫频仪测试电路幅频特性、高频阻抗、电路参数.6。

2 项目知识6。

2。

1 扫频仪概述6.2。

1.1 定义频率特性测试仪简称扫频仪，它将扫频信号源及示波器的X－Y显示功能结合为一体，利用示波管直接显示被测二端网络频率特性曲线，是描绘表征网络传递函数的仪器，用于测量网络的幅频特性.扫频仪与示波器的区别在于它能够自身提供测试所需的信号源，并将测试结果以曲线形式显示在荧光屏上.在电子测量中，经常遇到对网络的阻抗特性和传输特性进行测量的问题，其中传输特性包括增益和衰减特性、幅频特性、相频特性等。

扫频仪就是用来测试上述特性的仪器，它为被测网络的调整,校准及故障的排除提供了极大的方便。

扫频仪是测试电视接收机的主要仪器。

电视接收机中的高频头、图象中频放大器、视频放大器和伴音放大器、鉴频器等部分，均可很方便地进行调试，边调边看曲线波形,一直调整到最佳的工作状态。

6.2.1.2 分类常用分类方法如下：1。

按照工作频带的宽度，可分为宽带扫频仪和窄带扫频仪；2. 按照工作频率的不同,可分为低频扫频仪、中频扫频仪、高频扫频仪和超高频扫频仪；3. 按照处理方式的不同，可分为模拟扫频仪和数字扫频仪；4。

按照用途的不同，可分为音频扫频仪和视频扫频仪等。