简易放大器频率特性测试仪的设计(测试部分)【文献综述】

文献综述

电子信息工程

“简易放大器频率特性测试仪的设计（测试部分）”

前 言

频率特性测试仪也叫扫描仪，早期的频率特性测试仪是通过手动改变频率的方法逐点测量完成的，后来按照这种方法设计了专门的扫描仪用于频率特性的测量。早期的测量仪大都采用分立元件来实现各种功能，显示部分也是用传统的示波器。所以体积大、设备重、故障率高、操作复杂、价格昂贵，有的只能测量幅频特性，且精度不高。像BT6型超低频频率特性测试仪，就是采用分立元件。由于分立元件分散性大，参数变化与外部条件有关，因而产生的频率稳定度差、精度低、抗干扰能力不强，成本反而高。

随着频率合成技术及微电子技术的发展，频率特性测试仪也得到改进，扫频源采用数字量进行控制，数字化信号源可以弥补分立元件的不足，测量部分也进行了数字化的改进，大多都在低频段(小于1MHz)，测试仪的智能化程度仍然不是很高，扫频范围也不宽，相位测量精度也不高，虽然有一些测试仪也具有很高的精度和很宽的扫频范围，但是价格极 其昂贵。

近几年，随着现代电子技术的飞速发展，各种仪器都偏向小型化、数字化、智能化、低功耗方向发展，频率特性测试仪作为一种重要的测量仪器，也在不断的发展，由于直接频率合成(DDS)技术的日益成熟，为频率特性测试仪的数字化开辟了道路，液晶显示器技术的成熟使频率特性测试仪小型化成为可能。

主 题

频率特性测试仪是显示被测电路幅频、相频特性曲线的测试仪器

1、频率特性测试仪概念

频率特性测试系统，包含测试信号源、被测网络、检测及显示三部分。频率特性指系统传递不同频率的正弦信号的性能，包括幅度频率特性和相位频率特性。幅度频率特性描述系统对于不同频率的输入正弦信号在稳态情况下的衰减或放大特性；相位频率特性描述系统的稳态输出对于不同频率的正弦输入信号的相位滞后或超前的特性。

2、测量原理

对于一个电子部件，一个网络或一个系统的频率特性是可以用实验方法测试。测试方法有点频测量法和扫频测量法。

点频测量法的方框图如图1所示。测试时，信号源的频率由低至高逐点调节，幅度保持不变，同时分别读出电压表的数值。然后把信号频率的变化定为横坐标，以电压幅度定为纵坐标，逐点画出各频率点对应的电压值，便可以描绘出平滑曲线，即得到被测系统的幅度频率特性曲线。

扫频测量法是点频测量法的改进。一方面，改进测试信号源，用扫频信号源把逐点调节频率改为逐点扫动频率；另一方面，改进接收信号的指示器，使信号随频率变动的轨迹用示波器直观地显示出来，从而直接得到被测系统的幅度频率特性曲线。

通常把扫频信号发生器、峰值检波器、示波器、频标信号发生器组成一个整体，即为频率特性测试仪，也称为扫频仪 3、频率特性测试仪的工作原理

是根据扫频测量法的原理设计、制造而成的。它是将扫频信号源及示波器的X--Y显示功能结合为一体，用于测量网络的幅频特性。 （1）、 基本工作原理 扫频仪的原理框图如图所示：

扫频信号发生器 被测电路 检波探头 扫描电压发生器 晶振 混频 X放大器 Y放大器 频标形成电路

图1 扫频仪原理框图

扫描电压发生器产生的扫描电压既加至X轴，又加至扫频信号发生器。

扫频信号发生器的主要共作特性 产生扫频信号的方法 频标电路

4、AT89C52

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

5、示波器

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

6、A/D转换

6.1．A/D转换器的分类

下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。 1）积分型（如TLC7135）

积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率， 但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。 2）逐次比较型（如TLC0831）

逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出 数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。 3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）

并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。

串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为 Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级

（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度 又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路 规模比并行型小。 4）Σ-Δ(Sigma?/FONT>delta)调制型（如AD7705）

Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。

5）电容阵列逐次比较型

电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高 精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。 6.2、 主要技术指标

1）分辩率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。

2） 转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比 较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两

次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率 (Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表 示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。

3）量化误差 (Quantizing Error) 由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特 性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。

4）偏移误差(Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。

5）满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。

6）线性度(Linearity) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。

其他指标还有：绝对精度(Absolute Accuracy) ，相对精度(Relative Accuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（Total Harmonic Distotortion缩写THD）和积分非线性。

7、 信号采样

采样也称抽样，是信号在时间上的离散化，即按照一定时间间隔△t 在模拟信号x(t)上逐点采取其瞬 时值。它是通过采样脉冲和模拟信号相乘来实现的。采样间隔的选择和信号混淆：对模拟信号采样首先要确定采样间隔。如何合理选择△t 涉及到许多需要考虑的技术因素。一般而言，采样频率越高，采样点数就越密，所得离散信号就越逼近于原信号。但过高的采样频率并不可取，对固定长度（T）的信号，采集到过大的数据量（N=T/△t），给计算机增加不必要的计算工作量和存储空间；若数据量（N）限定，则采样时间过短，会导致一些数据信息被排斥在外。采样频率过低，采样点间隔过远，则离散信号不足以反映原有信号波形特征，无法使信号复原，造成信号混淆。直观地说信号混迭是把本该是高频的信号误认为低频信号。