DIY简易低频扫频仪的设计与制作

频率特性测试仪俗称扫频仪，用于测量网络（电路）的频率特性。例如测量滤波器、放大器、高频调谐器、双工器、天线等的频率特性，而且往往用于对这些电子设备或网络的调试。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，也是实验室中常用的电子测量仪器之一。 传统的扫频仪大多以模拟式为主（如BT-3C），通常其显示屏的横轴代表频率，纵轴代表相对幅度，但是并不能通过显示屏水平方向的标尺直接读取频率，也不能通过垂直方向的标尺直接读取相对幅度，而是通过频标来读取频率参数的，这只适合于大范围连续调节频率的扫频信号，所以很难精确定标。

语音信号要进行数字处理时，首先必须经过采样、量化、编码，由Nyquist采样定理可知，若要无失真地重建原始信号，采样频率必须大于或等于原始信号最高频率的两倍（Ws≥2Wh），否则采样信号的频谱将会发生混叠，此时，无法恢复原始信号，显然原始信号的频率Wh越低，采样频率Ws也越低，数码率也就越低，并可大大减少存储空间和信息传输速率，于是，可以在采样之前使原始信号通过一个低通滤波器，只允许低于Ws／2的频率分量通过，而将更高的频率分量滤除。由语音信号的标准可知，在采样前可通过带通滤波将语音信号的频带限制在300Hz～3400Hz范围内。无疑，在以上这一系列语音信号处理过程中，缺少不了1MHz以下的扫频仪器，特别是进行300Hz～3400Hz带通滤波器的设计与生产时，在调整与测试过程中必须使用低频扫频仪进行数据检验。

一、扫频仪的工作原理

扫频仪一般由扫描锯齿波发生器、扫频信号发生器、宽带放大器、频标信号发生器、X轴放大、Y轴放大、显示设备、面板键盘以及多路输出电源等部分组成。其基本工作过程是通过电源变压器将50Hz市电降压后送入扫描锯齿波发生器，就形成了锯齿波，这个锯齿波一方面控制扫频信号发生器，对扫频信号进行调频，另一方面该锯齿波送到X轴偏转放大器放大后，去控制示波器X轴偏转板，使电子束产生水平扫描。由于这个锯齿波同时控制电子束水平扫描和扫频振荡器，因此电子束在示波管荧光屏上的每一水平位置对应于某一瞬时频率。从左向右频率逐渐增高，并且是线性变化的。扫频信号发生器产生的扫频信号送到宽带放大器放大后，送入衰减器，然后输出扫频信号到被测电路。为了消除扫频信号的寄生调幅，宽带放大器增设了自动增益控制器（AGC）。宽带放大器输出的扫频信号送到频标混频器，在频标混频器中与1MHz和10MHz或50MHz晶振信号或外频标信号进行混频。产生的频标信号送入Y轴偏转放大器放大后输出给示波管的Y轴偏转板。扫频信号通过被测电路后，经过Y轴电位器、衰减器、放大器放大后送到示波管的Y轴偏转板，得被测电路的幅频特性曲线。

二、方案的设计与论证

根据上述要求，我们可有以下三种设计方案：
（1）借助实验室的低频信号发生器与示波器，
用人工的方法进行定点描测，即由低频信号发生器产生一个一个的频率点输送到被测电路，其输出接到示波器，观测它的各个频率点的衰减幅度，并记录下来进行数据分析。
（2）以单片机为核心，外围频率合成器、整流滤波、A／D转换、液晶显示、键盘控制等部分进行智能全自动化综合系统设计，工作原理后文详述，其系统框图如图1所示。

（3）以DSP芯片为核心，对外围宽带信号发生器、宽带信号接收器、液晶显示屏、控制面板等部分进行智能系统设计，其基本工作原理是：由信号发生单元产生一个从20Hz～2MHz的宽带信号输送到被测电路，其输出接到信号接收单元，再由DSP芯片进行频谱分析，扫频结果由液晶显示直观地显示出来，键盘采用轻触开关控制扫频范围、输出／输入信号衰减dB值等设置，其系统框图如图2所示。

显而易见，方案1是一种传统的人工方案，测试麻烦，速度慢，工作效率低，不符合现代电子设计标准；方案2、3均是全自动化仪设计方案，方案3比方案2的测试性能、精度指标要好，但方案2的成本低廉，易于生产，因此我们选择方案2。

三、硬件设计

（1）硬件组成

本系统的硬件部分由CPU（89C51）、频率合成器（MC145151－1）、整流滤波、A／D转换（ADC0 809）、液晶显示、轻触键盘等单元组成，系统方框图如图1所示。键盘控制扫频范围，由单片机输送14位数据至MC145151－1控制压控振荡器（VCO）的振荡频率，该频率经被测电路后至整流滤波，再经A／D转换回送到CPU。VCO的振荡频率在扫频范围内由低频端至高频端至低频端比较缓慢地循环变化，与此同时，由CPU控制A／D转换时序，然后再由软件转换成液晶显示代码显示出来。

（2）锁相频率合成电路

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