实验题目：简易幅频特性测试仪实验

1. 课程简要信息

课程名称：电子综合设计课程学时：16项目学时： $4 { + } 4$ （课内、课外）适用专业：电子信息工程学生年级：大二，第四学期

2. 实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

本案例为电子综合设计课程系列开放型综合设计实验之一，利用单片机小系统及外部电路，设计并制作一台简易幅频特性测量仪，能够改变输出信号的频率，施加于被测电路（二端口网络），并测量被测电路的输出电压幅度。原理可参考下图：

实验任务按照基础部分、发挥部分、创新部分三个层次确定指标要求，难度层层递进，以满足不同能力的学生的需求。基本部分要求全部同学都要完成，发挥部分和创新部分要求学有余力的同学选做完成。具体指标要求如下：

1） 基本部分

A. 具有交流信号源输出功能
$\textcircled{1}$ 能够输出有效值为 1.00V的正弦波，无明显失真，全频段幅度误差小于 $5 %$ $\textcircled{2}$ 频率范围 $1 0 0 \mathsf { H z } ^ { \sim } 1 0 \mathsf { k } \mathsf { H z }$ 可通过键盘设定，步进 $1 0 0 k \mathsf { H z }$ ，频率误差低于 $1 %$ ；$\textcircled{3}$ 输出阻抗<10欧；
B. 具有交流电压测量及显示功能
$\textcircled{4}$ 交流信号幅度 $0 ^ { \sim } 2 \mathsf { V }$ 有效值，精度优于 $2 . 5 %$ ，分辨率 0.01V
$\textcircled{5}$ 输入阻抗 $> 1 0 0 \mathsf { k }$

2） 发挥部分

$\textcircled{1}$ 频率步进扩展至 $1 0 H z$ ；
$\textcircled{2}$ 频率误差扩展至 $0 . 1 %$ ；
$\textcircled{3}$ 具有自动扫描功能，自动完成 $1 0 0 \mathsf { H z } ^ { \sim } 1 0 \mathsf { k } \mathsf { H z }$ 扫描，画出幅频特性曲线（线性坐标）

3） 创新部分

$\textcircled{1}$ 采用 wifi 或蓝牙在 PC 端或手机端显示幅频特性曲线；
$\textcircled{2}$ 滤波器类型判别，对数坐标切换及其他；

3. 实验过程及要求（限 300 字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1）学习了解幅频特性测量原理，掌握幅频特性测量电路的设计方法；
2）查阅单片机及运算放大器数据手册，了解单片机及运算放大器电路形式及参数计算方法，理解运放的工作条件及其非理想参数；
3） 开展方案论证，设计幅频特性测量电路，合理选择器件与元件（运放、单片机等），计算各单元电路的参数，并利用 TINA、Multisim、Protus 等软件仿真验证；
4） 在万用板上搭建实际电路，逐个模块焊接调试，并记录调试中遇到的问题，如果电路设计用到单片机，在单片机开发板上编程实验，并记录编程中遇到的问题；
5） 系统设计完成后，通过示波器进行测试各项指标是否达到实验要求，分析电路误差产生的原因，以及如何提高精度；
6） 撰写设计总结报告；
7） 分组实物验收，记录完成情况，并计入成绩。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

项目涉及所需的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

这是一个运用单片机、数字和模拟电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，需要运用波形发生、模拟调理、波形测量等幅频特性测量相关知识与技术方法，并涉及精度等工程概念与方法。本实验配合电路分析、微机原理模拟电子线路和数字电子技术等工科类专业课程，并辅以单片机，有一定趣味性，为学生课内实验以及课外科技工程创新活动提供了一种良好的解决方案。

5. 实验环境条件

项目实施需要实验资源，包括实验装置功能、实验仪器设备、设计软件工具、主要电子元器件等。

项目实施需要的环境条件如下：

1）实验仪器：示波器、信号源或 NI 的myDAQ（集成口袋式仪器）等。
2）实验器材：万用板、集成运放 NE5532、TL431、IRF540 管子等，电阻、电容开架。
3） 设计软件工具：TINA 仿真软件、Multisim 仿真软件、Proteus 仿真软件等。
4）参考资料：TI 单片机、NE5532、TL431、IRF540 等器件说明书。

6. 教学目标与目的（限 150 字）

如学习、运用知识、技术、方法等；培养、提升技能、能力、素质等。

本案例是一个完整的模拟-数字与单片机混合设计工程实验案例。教学目标与目的如下：

1） 引导学生熟悉幅频特性测量电路的原理，掌握幅频特性测量电路的设计方法；
2） 培养学生数字系统设计、模拟电路、元器件选择、虚拟仿真、实物电路电装与调试等电子技术综合设计及知识的运用能力；
3） 培养与提高学生工程设计能力及团队协作能力。

7. 教学设计与实施进程

课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。教学模式、实验渠道、研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题等方面设计等。实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、虚拟仿真、实物电装与调试、设计总结等过程。实验教学的具体实施过程安排包括：预习自学、现场教学、虚拟仿真、实物电装与调试、实物验收、实验总结等过程。教师现场教学讲解 2 课时，安排实验任务，并引导学生进行系统设计与仿真。在虚拟仿真环节完成后，时间开放空间开放方案开放，学生两人一组组队，在一周的时间内完成实物制作与调试测试，教师不定期指导。最后统一进行实物验收并提交实验报告。

在教学过程的实施中注意应在以下几个方面加强对学生的引导：

1） 预习自学：在课前提前让学生查阅资料，学习幅频特性测量的方法。

教师注意引导学生学习多种波形产生的基本方法，并了解不同波形产生技术之间的差异，掌握参数计算的方法；熟悉运放构成的放大器设计方法，掌握放大器参数计算及虚拟仿真方法。

2） 现场教学：教师介绍包括实验背景需求、任务安排、实验原理与参考方案、实验要求、课后思考等部分教学内容。

$\textcircled{1}$ 任务安排：介绍实验背景需求，激发学生兴趣；引导学生理解系统的各项指标要求，熟悉实验任务；
$\textcircled{2}$ 教学中通过实验原理与参考方案的介绍，引导学生熟悉解决实际工程问题整体思路与步骤，包括：性能指标分析、方案论证、电路设计、参数计算与器件选择、虚拟仿真、实物电装、调试测试等。
$\textcircled{3}$ 与理论课教学不同，实验教学中重点引导学生学习实际电路设计中元器件选择与计算方法，以及如何提高频率精度与幅度精度的方法，引导学生独立完成自己的电路方案设计。
$\textcircled{4}$ 教学中引导学生熟悉采用软件对电路进行虚拟仿真验证的方法、实物电装的流程与方法、电路调试与测试的方法。

3）虚拟仿真：由学生按照自己设计的电路方案进行软件虚拟仿真验证，单人单组完成。

虚拟仿真环节完成后，学生提交虚拟仿真文件与仿真结果，教师进行虚拟仿真验收并打分。

4） 实物电装与调试：在虚拟仿真完成后，学生两人一组组队，选择设计好的方案，完成实物电路的制作与调试。

此环节时间开放、地点开放，学生自行完成实物电装与调试，教师不定期指导。教师应引导学生注意调试过程中工作电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

5） 实物验收：在实物制作完成后，进行实物验收并打分。

实物验收中，注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成、模块间的接口方式与参数要求、功能与性能指标的完成程度、焊接质量、组装工艺、功能构思与电路设计的创新性、实验成本等方面。

6）实验总结：学生撰写并提交实验设计报告，教师打分。教师应引导学生注意实验报告撰写的规范性与完整性，并注意实验数据的测试与误差分析。

8. 实验原理及方案

实验的基本原理、设计依据、完成任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

本案例可以由多种方案来实现，这里给出部分电路的参考实现方案，不限于如下参考方案。

1）系统总体结构

简易幅频特性测试仪系统总体结构由波形发生、波形驱动、幅度测量、单片机及显示、无线传输等模块组成。其中，波形发生用于产生幅频特性测量所需的正弦波，波形驱动用于产生低阻抗驱动信号，幅度测量可采用绝对值电路、峰值保持电路也可以采用 集成的交流检测芯片如 AD637 等，单片机包含液晶显示键盘交互及信号处理功能，最后通过蓝牙、Wifi 等无线传输至 PC 界面或手机界面。模块中，单片机系统、波形发生模块和幅度测评模块是系统的核心模块，均可采用多种方案实现，学生需要独立进行方案论证与选择。

图 1 系统总体结构图及参考方案

2） 简易幅频特性测试仪实现参考方案以下是学生实现的一种方案，供其他同学设计时候参考：

一、方案设计与论证

1、单片机 DDS 最小系统

题目要求产生频率可调的，有效值为 1V 的正弦波，频率范围为 $1 0 0 \mathrm { H z } { \sim } 5 \mathrm { K H z }$ ，此处要求频率值并不算太高，因此此处采用单片机控制 DA 芯片（DDS）产生正弦波的方法来产生题目要求的交流源。

2、交流信号源输出电路

单片机控制 DA 芯片产生的正弦信号是阶梯信号，为了得到光滑的正弦波，需要加入低通滤波器进行滤波，同时为保证信号源电路输出阻抗小于 $1 0 \Omega$ ，电路的最终输出端采用电压跟随器来满足要求。

3、交流电压测量电路

采用峰值检测电路将被测网络的正弦输出信号变换为直流电平，最终送入单片机进行AD测量，

从而得到输入正弦信号的幅值。

二、理论分析与计算

1、单片机 DDS 最小系统

MSP430G2553单片机的内部最高时钟为16MHz，DDS输出最高正弦波信号为 $5 \mathrm { K H z }$ ，基于 DDS的原理，在保证每个正弦波周期最少有 10 个电压点的前提下，需要的 DDS 时钟最低为 $5 0 \mathrm { K H z }$ 。为了得到高质量的正弦波，这里每个正弦波周期的电压点数为 16 个，需要的 DDS 时钟为 $8 0 \mathrm { K H z }$ ，G2553 的16MHz 最高时钟可以很好的满足要求。

2、交流信号源输出电路

采用四阶增益为 1 的 Butter Worth 滤波器，截至频率设为 $8 \mathrm { K H z }$ ，保证在 5KHz 时其增益不变。Butter Worth 滤波器在其通带内是最平坦的，且四阶低通可以保证在 80KHz（DDS 时钟）附近衰减达到 60dB 以下，从而得到高质量的正弦波。

3、交流电压测量电路

被测网络的输出信号还是正弦信号，此处的峰值检测可以将正弦信号的幅值以直流的形式表现出来，对于直流，单片机可以直接进行 AD转换，从而得到正弦信号的幅值。

三、电路及程序设计

1、单片机 DDS 最小系统

硬件连接框图如图 1 所示

图 1 DDS 最小系统框图

利用单片机的 TA0 定时器中断来产生频率较稳定的 80KHz DDS 时钟频率，单片机与 TLV5616采用 SPI 方式进行通信，每次进入 TA0 定时器中断后，改变 DA的输出电压值，DDS 的频率控制字采用 32 位的 unsigned long int 型，从而使 DDS 频率的精度可以达到 $8 0 \mathrm { K H z } / 2 ^ { \wedge } 3 2 = 1 . 8 6 \times 1 0 ^ { - 5 } \mathrm { H z }$ 。

通过按键键盘来选择系统的功能，可以实现 DDS 输出频率调节，手动扫频和自动扫频功能的切换。

通过 12864液晶显示进行人机交互，实时显示系统当前的状态，显示当前的频率值，以及当前检测到的正弦信号的峰峰值。在扫频结束后进行幅频特性曲线的显示。

系统软件流程图如图 2所示

图 2 DDS 最小系统软件流程图

2、交流信号源输出电路

硬件电路如图 3 所示，

图 3 交流信号源输出电路

其中运放 U1 组成差动放大器，U1 输出为:

$$ \mathrm { U } _ { \mathbf { 0 } 1 } = \mathrm { U } _ { \mathrm { i } 1 } - \mathrm { U } _ { \mathrm { i } 2 } $$

运放 U2 与 U3 组成四阶 Butter Worth 滤波器，截止频率为 $8 \mathrm { K H z }$ ，增益为一。为了削减 Sallen-key滤波器的高频馈涌现象，在电路中接入了 R3和 C3。运放U4 为电压跟随器，进行前后电路的隔离，实现输出阻抗 ${ \bf \ < } 1 0 \Omega$ 。

3、峰值检测电路

硬件电路如图 4 所示

图 4 峰值检测电路

其中 T1 为 NPN三极管，主要是对存储电容进行放电， 这里选用 S8050。为了实现高峰值电压的检测，采用 $\mathsf { R } _ { 2 }$ 与 $\mathsf { R } _ { 3 }$ 串联分压，在 AD采用 2.5V基准电压时，最高测量电压幅值：

$$ \begin{array} { r } { \mathrm { { U } _ { m a x } = 2 . 5 \times \frac { R _ { 2 } + R _ { 3 } } { R _ { 3 } } = 3 . 9 8 V } } \end{array} $$

四、测试方法及步骤

1、交流信号源输出频率测量

应用示波器测试 DDS 简易信号源的信号输出，更改信号输出频率，观察信号的幅度及频率，进行记录并与预定值对比。

2、峰值检测电路

外接信号源输入峰值检测电路，更改输入信号的频率，观察并记录液晶上显示值，并与预定值进行对比。

五、测试结果及分析计算

1、测试仪器清单

具体测试器件见表 1 所示

表 1 测试仪器清单

部分学生作品照片如下：

图 5 学生实物作品正面

图 6 学生实物作品测量

9. 实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等），如：

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验需求分析
2） 实现方案论证
3） 理论推导计算
4） 电路设计与参数选择
5） 电路虚拟仿真与验证
6） 电路装配过程
7） 电路测试方法
8） 实验数据记录
9） 数据处理分析
10）实验总结与心得体会

10.考核要求与方法（限 300 字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

） 仿真验收：电路元件参数选择与指标完成程度，2-3 人一组进行。（20 分）

2）实物验收：功能与性能指标的完成程度（如产生波形频率），完成时间。（30 分）

3） 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。（10 分）

4） 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。（10 分）

5）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。（10分）

6） 实验数据：测试数据和测量误差。（10 分）

7） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。（10 分）

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色与创新在于：

1）模式创新：将传统实验箱或完整开发板模块实验转变为用万用板搭建电子系统实验的模式，并且项目背景与现代电子技术紧密结合，易于激发学生的兴趣；

2）方法创新：项目综合了所学的电路基础、模拟电子电路、数字电路等多学科的知识，采用先虚拟仿真后搭建实物的“虚实结合”实验模式，引导学生掌握现代电子系统设计实验新方法，提高学生理论结合实际以及解决问题的能力。

3）形式创新：项目为开放性实验，学生可以自主安排时间，在规定时间周期内完成实验验收。题目要求采用学生学号作为参数之一进行设计，有一定趣味性，并防止抄袭，并且项目中设有发挥部分和创新部分，为学有余力的学生提供锻炼机会，充分发挥学生自主创新潜能。

4）趣味性强：项目选题贴近实际，容易激发学生兴趣。将模拟电子技术与数字电子技术结合起来，综合考察学生能力，并按照难度设计分层次任务要求，满足不同层次学生需求。

5）项目普及性：项目所需条件一般实验室均可满足，便于推广。

附件 1 证明材料：

图 7 教务系统该课程截图及网上建课与提交等证明材料