系統中的信號可以表示成不同頻率的正弦信號的合成。控制系統的頻率特性反應了正弦信號作用下系統的響應性能。使用頻率特性來研究線性系統的經典方法稱為頻域分析法。系統的頻率特性具有物理意義明確、控制系統的頻域設計可以兼顧動態響應和噪聲抑制兩方面要求，以及使用頻域分析法不僅適用于線性定常系統，還可推廣應用與某些非線性系統等特點。要研究一個系統的性能，測量其頻率特性是非常重要的。

　　本文主要以Arduino單片機為控制核心，設計了一個頻率特性測試裝置。文中主要闡述了該裝置的結構、工作原理和性能特點。整個系統主要包括信號發生電路、信號源穩壓電路、信號轉換電路及待測電路。

　　該裝置的硬件成本較低，結構也簡單，同時，軟件設計靈活，具有精度高、測量范圍寬、使用方便等特點。測量系統頻率特性的方法有很多，一般有系統傳遞函數法，單位脈沖信號測試法或尋找機械系統的諧振點等，我采用的是以掃頻正弦波作為測試信號的頻域測量方法，在沒有頻率特性測試儀的情況下，逐點改變信號源頻率，測量系統再該頻率下的響應的辦法來研究系統的頻率特性。頻率特性測量儀使用方便，但價格昂貴。逐點測量法，有利于我們弄清系統頻率特性的概念和物理意義。

　　隨著電子工業的迅猛發展，各式各樣的測量工具也不斷涌現，而且比以往的更高級也更加先進，特別是在精度方面，更符合人們的要求，經過長時間的市場調查，發現通用的模擬式頻率特性測試儀在使用中存在兩個問題，一是不能直接得到相頻特征，二是不能保存系統頻率特征數值。這樣就大大的增加了企業的生產成本（此處沒有必要寫），此外還會由于測量精度不夠準確，造成一定量的測量誤差，從而影響系統的測量質量，針對這一現象我決定開發設計一個基于單片機的頻率特性測試儀，在微處理器控制下，Arduino單片機和DDS頻率合成器構成的頻率特性測試儀，它與PC機通過RS232C口連接，根據這一原理構成的數字式頻率特性測試儀，實現了被測網絡的頻率特性的測試及數字的顯示。實驗證明，這種單片機控制的數字式系統頻率特征測試儀體積小，系統穩定，使用簡單。相比之下，基于單片機的頻率特性測試儀體現出強大的優越性，現在所開發的這種基于單片機的頻率特征測試儀，不但成本低廉，而且工作性能穩定，還能為人們提供感官上的人性化服務，測量儀器正朝著數字化，智能化，虛擬化方向發展。

　　隨著數字測量技術和計算機技術的迅速發展，根據國內外研究的現狀分析，設計和制作掃頻儀的技術條件也越來越先進。目前，國外生產的頻率特性測試儀大多是采用單片機和相應的外圍電路構成，平且越來越精密，這種電路接受比較準確可靠，是未來發展研究的方向，該儀器硬件結構簡單，軟件設計靈活，具有測量范圍廣，精度高，使用方便等特點。

　　在控制系統的領域中，設計和控制一個系統我們首先要知道一個系統的數學模型，但是一些多輸入多輸出系統直接測量其數學模型又很麻煩。自控控制系統中我們知道，我們可以測量一個系統的頻率特性，通過系統的固有的頻率特性經過計算我們可以得到系統的數學模型，進而可以對系統設計和控制。本次畢業設計就是基于這種理念，設計制作一種可以方便測量各種系統的頻率特性的裝置，來滿足廣大科研人員的需要，達到更加簡潔，更加方便，更加靈活的特點。

　　利用微分方程式求解系統動態過程，可以比較直觀地看出輸出量隨時間變化。但是用微分方程式求解系統的動態過程比較麻煩，系統越復雜，微分方程的階次越高，求解微分方程的計算工作量越大。

　　我們可以用時域方法導出二階和三階系統特征參數與動態過程的關系。但對于高階系統，很難看出某個環節和參數對整個系統的動態過程有怎樣的影響；當系統的動態特性不能滿足生產工藝要求時，很難確定應采用什么樣的措施才能改進系統的動態特性。如果要需要改變某些參數或加進某些環節來改變系統的動態特性時，就需要重新進行計算，很不方便。

　　在工程實踐中，通常不希望進行大量繁復的計算，而要求能夠比較簡單地分析出系統各參數對動態特性的影響，以及加進某些環節以后對系統的動態特性又有怎樣的改進，此外，在實際上往往并不需要把系統動態變化過程全部準確地計算出來，而希望有一種簡便的判斷動態過程的品質（如超調量、調節時間）和穩態誤差的方法。

　　通常控制系統的時域響應性能可以通過控制系統的運態行為表示，對于二階及以下的線性和非線性系統可以利用該系統在某輸入作用下或在某初始條件下的相軌跡描述。本題目的主要內容是設計基于Arduino單片機的控制系統狀態測試硬件裝置及控制系統狀態測試軟件程序。

　　本畢業設計要求構造基于單片機的控制系統狀態測試硬件、編寫單片機程序，實現控制系統狀態測試。該設計應包括：

　　設計基于Arduino單片機的控制系統狀態測試硬件；

　　編制基于Arduino單片機的控制系統狀態測試程序。

　　畢設方案：

　　學習單片機工作原理和編程方法。

　　編制控制系統狀態測試程序。

　　編制上位計算機相平面圖繪制程序。

　　編寫串口通訊程序，實現系統狀態測試裝置與上位計算機通訊。

　　題目完成后應達到：實現系統狀態的實時測量，上位機通訊。

　　題目完成后應達到：可模擬實現系統狀態的實時測量。