基于C8051F060和AD9834的频率响应测试仪设计

摘要：为了测试电路系统的频率响应特性，通常需要在电路系统输入端加上不同频率的激励，然后再测量电路的输出以得到频率响应函数。文中介绍了由单片机和DDS构成的频率响应测试仪设计方法，同时给出了单片机中的软件处理流程。试验结果表明，本测试仪测量精度高，操作方便。
关键词：AD9834频率响应；测试仪；单片机；C8051F060

0 引言
在模拟电路设计和调试过程中，测量系统的频率响应特性是非常重要的一步。而市场上能购买到的具有分析系统频率响应的仪器通常都比较昂贵，而且体积较大，一般很难接受。为此，本文介绍了一种成本较低、体积小、操作简单，能满足大部分系统测量要求的频率响应测试仪的设计方法。

1 系统总体设计
本文介绍的是基于单片机C8051F060和频率合成芯片AD9834开发的、可测量系统频率响应曲线的仪器系统。其系统总体设计框图如图1所
示。

本设计中的单片机C8051F060可控制扫频信号源，以产生一系列不同频率的正弦信号，然后将这些信号进行滤波、放大后作为被测对象的输入送到被测网络中，而被测对象的输出信号则经过调理电路输入到单片机C8051F060中进行数据采集与处理，并将其幅频特性曲线、相频特性曲线通过LED显示出来。键盘可通过控制单片机来设置频率的步进值。

2 各部分模块的设计
2．1 主要芯片简介
本系统中的C8051F060是美国Cygnal公司推出的完全集成混合信号片上系统型MCU。C8051F060采用与8051兼容的专利内核CIP-51，速度高达25MIPS，并具有59个数字I／O引脚、5个16位通用定时器、6个带有捕捉／比较模块的可编程定时器／计数器阵列。同时，片内还集成了两个16位、1Msps的ADC和2个12位DAC、3个电压比较器、看门狗定时器，VDD监视器和温度传感器。该芯片上集成有64KB的FLASH和4352B内部RA-M，以及硬件实现的SPI、SMBus／I2C和2个UART串行接口。最为便利的是，C8051F060还集成了CAN总线控制器，这使得用CAN总线开发C8051F0 60具有开发费用低廉、抗干扰性强、可适用于工业现场应用等特点。
本设计选用的频率合成芯片AD9834是AD公司生产的具有高集成度、低功耗的直接数字频率合成器，它使用的DDS技术是一种利用正弦信号
相位随时间线性增加的原理，并由数字累加和数／模转换来合成所需频率的技术。它主要由数控振荡器(NCO)、相位调制器、正弦查询表ROM
和1个10位D／A转换器组成。数控振荡器和相位调制器主要由2个频率选择寄存器、1个相位累加器、2个相位偏移寄存器和1个相位偏移加法器构成，其最高工作频率可达50 MHz。在参考时钟1MHz下的频率分辨率达0．004 Hz。同时，AD9834还具有三总线串行(SPI)接口，可以较好地与DSP或单片机兼容，并可以输出正弦波、三角波和方波信号。

2．2 扫频信号源设计
本设计采用C8051F020单片机作为控制器件，它的最高工作频率可达到25MHz，并可提供一个串行外设接口SPI器件，然后利用SPI总线向AD9834发送频率控制字，以使AD9834产生正弦信号，将此差分信号通过引脚IOUT和引脚IOUTB输出。本系统中的扫频信号源电路如图2所示。

2．3 调理电路设计
在设计调理电路时，可选用模拟开关ADG408来控制放大电路的增益，以将±5 V的信号经过调理电路衰减后，再和ADC的参考电压相
加，从而使信号的幅度范围达到ADC允许的范围内(0～2．5V)。

3 单片机C8051F060与AD9834的通讯接口
本设计采用单片机C8051F060并通过SPI接口向AD9834发送命令和数据，再由AD9834产生系统需要的扫频信号。C8051F060的SPI是一个高
速同步串行输入／输出口，可支持主／从形式的多机通信，通常用于DSP控制器和外设或另一个处理器之间以串行方式进行通信和数据交换。通信时一般使用四条线，即串行时钟线SPICLK、主机输入／从机输出线SPIMISO、主机输出／从机输入线SPIMOSI、从传送使能线SPISTE。而AD9834有三根串行接口线，且与SPI等接口标准兼容。由于单片机只向AD9834发送数据。而不需要接收数据，因此，设计时可将单片机的SPI设置为主器件，NSS置为高电平。C8051F060与AD9834的具体接口电路如图3所示。

4 软件设计
本系统的软件主要完成系统的初始化、程控放大、数据采集与处理及LCD显示等功能。其主程序流程图如图4所示。

初始化包括系统初始化、单片机初始化、DDS初始化和液晶屏初始化。初始化之后，就可以读键值，如果步长改变，则清计数器和液晶屏，没有改变，则可写频率控制字，用程序控制其放大倍数，采集输出信号。如果输出电压超过满量程，则应减小放大倍数，以使其被控制到合适的范围内。刚好满足时，就可以对输入、输出信号两端同时采集，待采