2013年全国大学生电子设计竞赛
简易频率特性测试仪（E题）
【本科组】
污水处理流程
组合式桥架2013年9月7日
摘 要
本系统以STC12C5A60S2为主控制器，该单片机是高速，低功耗，超强抗干扰的新一代8051单片机，速度快8-12倍。以自制DDS电路板AD9854为信号发生器，产生两路正交信号，观察输出波形，分析并改正信号输出模块的性能。然后将信号接入被测网络RLC串联谐振电路，经AD835构成的乘法器后，再经过低通滤波器，得到直流信号，返回单片机后经处理计算，从而得到被测网络的幅频和相频特性。 关键词：STC12C5A60S2 AD9854 AD835
Abstract
This system to STC12C5A60S2 as the main controller, the single chip microcomputer is a high-speed, low power consumption, strong anti-interference of a new generation of 8051 single chip microcomputer, 8-12 times faster. Signal generator using self-made DDS circuit board AD9854, resulting in two orthogonal signal, the output waveform is observed, analyzed and performance correction signal output module. The signal is then access the tested network RLC series resonant circuit, the AD835 multiplier, and low pass filter, get the DC signal, to the microprocessor after processing, which can be obtained by measuring the network the amplitude frequency and phase frequency characteristic.
Keywords: STC12C5A60S2 AD9854 AD835
目 录
1.1 MCU控制模块的论证与选择 1
1.2 DDS信号源的论证与选择 1
1.3 乘法器的论证与选择 2
1.4 键盘模块的论证与选择 2
2、系统理论分析与计算 2
2.1 系统原理 2
2.2 低通滤波器的设计 2
2.3 ADC的设计 3
2.4被测网络的计算 4
3、电路与程序设计 5
3.1电路的设计 5
3.1.1系统总体框图 5
3.1.2 MCU控制子系统框图与电路原理图 5
3.1.3电源 6
3.2程序的设计 6
3.2.1程序功能描述与设计思路 6
3.2.2程序流程图 7
4、测试方案与测试结果 7
4.1测试方案 7
4.2 测试条件与仪器 9
4.3 测试结果及分析 9
4.3.1测试结果(数据) 9
4.3.2测试分析与结论 9
参考文献： 9
附录1：电路原理图 11
附录2：源程序 13
1、系统方案
本系统主要由信号源模块、被测网络模块、乘法器模块、低通模块、ADC模块、测量显示模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 MCU控制模块的论证与选择
方案一：采用51单片机控制。STC12C5A60S2系列单片机是高速，低功耗，超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路腾荷,2路PWM,8路高速10位A/D转换,针对电机控制，强干扰场合。pfa喷涂
方案二：采用FPGA控制。FPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，但是功耗较低。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。
综合以上两种方案与实际情况，选择方案一。
1.2 DDS信号源的论证与选择
方案一：采用分立元件和中小规模集成电路构成波形发生器采用RC串并联振荡器生成正
弦信号。该方案的优点：技术成熟，可供参考的资料较多。缺点：外围元器件多，调试工作量较大，频率稳定度和准确度差，很难满足频率变化的范围要求，更难准确地实现频率步进的要求。
方案二：利用专用直接数字合成DDS芯片AD9851实现波形发生器。AD9851可以产生一个稳定的频率和相位且可数字化编程的模拟正弦波输出。但是该芯片理论上可达到70MHz，其实在实际应用中，当频率达到30MHz时，波形就失真了，而且外围电路较为复杂，需耗费大量时间。
方案三：采用AD9854芯片构成信号源。AD9854芯片整合了两路高速、高性能正交D/A转换器通过数字化编程可以输出I、Q两路合成信号，而且可产生一高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦和余弦信号，允许输出的信号频率高达150MHz，而数字调制输出频率可达100MHz。
综合以上三种方案，选择方案三。
1.3乘法器的论证与选择
方案一：选用集成模拟乘法器MC1496。模拟乘法器MC1496电路模块MC1496是根据双差分对模拟相乘器基本原理制成的乘法器芯片,用来实现调幅电路具有电路简单，调试方便的优点,但是MC1496miae-043器件内部元件参数不可能完全相同，致使输出波形出现载波漏信号，实际电路的波形并不完全对称。
方案二：选择模拟乘法器AD835。AD835是个完备的4象限电压输出模拟乘法器，适用于各种信号处理应用，只需极少的外部器件，易于使用，性价比高，适合要求使用混合或板级解决方案的应用。
综合以上两种方案，选择方案二。
1.4 壁挂燃气锅炉键盘模块的论证与选择
方案一：独立键盘。控制简单，但是占用单片机IO口资源太多。
方案二：矩阵键盘。控制较为复杂，但是占用单片机IO口资源少。
综合以上两种方案，选择方案二。
2、系统理论分析与计算
2.1 系统原理
根据数据手册制作了核为AD9854的DDS集成板。通过STC12C5A60S2的控制，使AD9854输出两路正交信号，将被测网络接入电路，通过乘法器之前，考虑到乘法器芯片 AD835对小信号精度较高，所以利用放大器AD8009将AD9854输出信号适当放大，再送入乘法器。这两路波分别与输入信号在各自的环路中进行混频，经低通滤波后分别得到两路直流信号，返回单片机处理即可得到被测网络的幅频特性及相频特性。
2.2 低通滤波器的设计
所谓的低通滤波器就是允许低频信号通过，而将高频信号衰减（如图2.2.1所示）的电路。
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