文档介绍：简易网络导纳分析仪
摘要
本简易网络导纳分析仪以凌阳单片机SPCE061A为控制和数据处理核心,由正弦信号发生模块、功率放大模块、导纳模测量模块、导纳角测量模块、网络负载以及人机接口模块组成。采用数字控制DDS芯片AD9851产生100Hz-10KHz正弦信号,经滤波、电压放大和功率放大后驱动网络负载。从网络负载中取测量信号输入到以真有效值转换集成芯片AD637为核心的电压和电流测量电路构成的导纳模测量模块中进行负载测量。导纳角测量模块是从导纳模测量模块中取一组信号经过零比较后使用鉴相器和计数器对信号相位差测量。把上述的测量结果经单片机处理后用液晶显示。为了提高测量精度,将各部分电路的误差合理分配,使电路达到最佳测量效果。
关键字:导纳,导纳角,DDS,AD637,网络导纳分析仪
本题要求设计一个输出电阻小于1,输出电压峰峰值为1V,频率为100Hz~10KHz的正弦信号发生器和一个一端口网络,并且在此基础上测量这个网络的电导、电纳、电导模和导纳角的导纳分析仪。
一方案论证与比较
正弦信号产生部分
方案一:使用集成函数发生器芯片
集成函数芯片有ICL8038等。ICL8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波四种不同的波形,将它作为正弦信号发生器。它是电压控制频率的集成芯片,失真度很低。可输入不同的外部电压来实现不同的频率输出。但是发挥部分要求正弦波以100Hz为步进增加,所以用ICL8038不方便控制。
方案二:采用锁相式频率合成(PLL)
锁相式频率合成是将一个高稳定度和高精度的标准频率经过加减乘除的运算产生同样稳定度和精确度的大量离散频率的技术,它在一定程度上解决了既要频率稳定精确,又要频率在较大范围内可变的矛盾,但频率受VCO可变频率范围影响,高低频率比不可能作得很高,随着频率稳定度的提高,PLL的锁定时间越来越来越长。
方案三:直接数字频率合成(DDS)
直接数字频率合成技术是根据相位间隔对正弦信号进行取样、量化、编码,然后储存在EPROM中构成一个正弦查询表。频率合成时,相位累加器在参考时钟的作用下对时钟脉冲进行计数,同时将累加器输出的累加相位与频率控制字K预置的相位增量相加,以相加后的吉果形成正弦查询表的地址;取出表中与该相位对应的单元中的幅度量化正弦函数值,经D/A转换器输出模拟信号,再经低通滤波器平滑得到符合要求的模拟信号。相位累加器的最大计数长度与正弦查询表中所存储的相位分隔点数相同,由于相位累加器的相位增量不同,将导致一周期内的取样点数不同,在取样频率(由参考时钟频率决定)不变的情况下,输出信号的频率也相应变化。如果设定累加器的初始相位,则可以对输出信号进行相位控制。
目前有许多可用作信号发生器的专用DDS集成芯片,如ADI公司推出的AD9851,。
DDS结构原理图
综合比较以上方案,结合信号发生器产生的频率稳定度和精确度要求,我们选择DDS直接数字频率合成。一方面,DDS较信号发生器更容易精确控制;另一方面,DDS较锁相式频率合成外设少,更容易实现。
测量和数据处理部分
方案一:基于频域分析的连续傅立叶变换
根据连续傅立叶变换公式,得到复频域内的电导和电纳
F(jw)=

如果采用这个方案还要制作一个90°的移相网络得到cos(wt).,通过模拟乘法器、模拟低通滤波器和模拟积分电路得到Re[Y]和Im[Y]。但是由于正弦信产生器产生的相对带宽比较宽,对制作90°移相网络有很高的要求,调试也很烦琐,所以我们放弃次方案。
方案二:基于频域分析的离散傅立叶变换
根据离散傅立叶变换公式,得到复频域的电导和电纳
此方案使用的硬件电路很少,可以由软件实现,但是这样对编程要求和单片机处理速度都有很高的要求,软件实现有难度。
方案三:直接测量导纳模和导纳角
测量流过一端口网络的电流和网络上的电压降,送单片机处理(Y=I/U)得到导纳模。捕捉一端口网络输出电压和电流的特性曲线,比较它们的相位差可以得到导纳角,从而可以得到电导G=Re[Y]=|Y|,导纳B=Im[Y]=|Y|。此方案硬件电路实现相对容易软件工作量相比方案二小很多,综合各个因素我们选择了方案三。
二系统设计和单元电路的实现
总体结构框图
本系统由凌阳单片机、信号发生器模块、导纳模测量模块、导纳角测量模块、网络负载和人机接口模块六个部分组成,。
系统结构框图
正弦信号发生器
采用直接数字频率合成技术,使用ADI公司的集成DDS器件AD9851。 AD9851是在AD9850的基础上,做了一些改进以后生成的具有新功能的DDS芯片。AD9851相对于AD9850的内部结构,只是多了一个6倍