數(shù)字頻率特性測試儀的設(shè)計

孫冬嬌+王文兵+丁俊

摘 要： 傳統(tǒng)的模擬式頻率特性測試儀存在價格昂貴、條件苛刻、操作不便和性能指標(biāo)易受溫漂因素影響等不足。針對以上缺點，通過采用數(shù)字技術(shù)，將先進的 DDS 和 MSP430 單片機相結(jié)合，集合一些常用的外圍模擬電路，設(shè)計了一個簡易的頻率特性測試儀。系統(tǒng)對待測電路的輸入信號及其輸出響應(yīng)采樣，經(jīng)數(shù)字信號處理后，獲得電路的幅頻特性和相頻特性。設(shè)計的測試儀測某RLC網(wǎng)絡(luò)，中心頻率的相對誤差小于0.2%，有載品質(zhì)因數(shù)相對誤差小于1.25%，最大電壓增益大于-1 dB。頻率特性測試儀輸入輸出阻抗均為50 Ω，幅頻誤差絕對值小于0.5 dB，相頻誤差絕對值小于3°。測試儀能滿足一般測試參數(shù)需求。

關(guān)鍵字： 幅頻特性測試； 直接數(shù)字式頻率合成器； 串聯(lián)諧振； 掃頻

中圖分類號： TN77?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0073?03

Design of digital frequency characteristic analyzer

SUN Dong?jiao1， 2， WANG Wen?bing1， DING Jun1

（1. School of Electronic and Information Engineering， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China；

2. Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing， Nanjing 210044， China）

Abstract： In view of the shortcomings of the traditional analog frequency characteristic tester， a simple frequency characteristic tester was designed by means of digital technology， and in combination with the advanced DDS， MSP430 microcontroller and some common peripheral analog circuits. The input signal and output response of the circuit under test are sampled by the system. The amplitude frequency and phase frequency characteristics of the circuit are obtained by digital signal processing. The designed tester was used to test A RLC network. The test results indicate that the system′s relative error of the center frequency is less than 0.2%， relative error of the loaded quality factor is less than 1.25%， maximum voltage gain is larger than -1 dB， input and output impedances are all 50 Ω， amplitude error absolute value is less than 0.5 dB， and phase frequency error absolute value is less than 3°. Tester can meet the testing requirements of general parameters.

Keywords： amplitude frequency characteristic test； direct digital synthesizer； series resonance； sweep frequency

頻率特性測試儀俗稱掃頻儀，用于測量網(wǎng)絡(luò)（電路）的頻率特性，如測量濾波器、放大器、高頻調(diào)諧器、雙工器、天線等的頻率特性，而且往往用于對這些電子設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)的測試，是實驗室中常用的電子測量儀器之一。目前仍普遍應(yīng)用于高等學(xué)校等學(xué)術(shù)研究機構(gòu)的傳統(tǒng)模擬式頻率特性測試儀價格昂貴，操作不便，在電路性能方面不可避免地受模擬電路固有的溫漂等因素影響。頻率特性測試儀的核心部件是正弦掃頻信號源，在傳統(tǒng)方式實現(xiàn)時一般基于模擬器件結(jié)合分立元件構(gòu)成，相對于基于數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)的電路，穩(wěn)定性較差，人機接口困難。目前，DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)得到高速發(fā)展，因此用DDS數(shù)字方式實現(xiàn)正弦掃頻信號源，可以克服純模擬電路的種種缺點。本設(shè)計以TI公司的MSP430為主控芯片，以DDS芯片AD9854為核心，構(gòu)成掃頻信號源；再通過后續(xù)模擬電路的處理，得出被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性，并且在液晶顯示器上面顯示出來。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示，按照信號的傳遞和處理次序，對系統(tǒng)進行了模塊化設(shè)計。

單片機外圍有全面的配件構(gòu)成，有鍵盤，有TFT液晶彩屏。首先，通過鍵盤選擇相應(yīng)的模式，然后單片機控制DDS產(chǎn)生相應(yīng)的正交掃頻信號；DDS產(chǎn)生的微弱信號經(jīng)過AD603構(gòu)成的固定增益放大電路進行放大，設(shè)置其中一路信號經(jīng)過待測網(wǎng)絡(luò)；待測網(wǎng)絡(luò)輸出的信號和原信號兩兩分別進入AD835組成乘法器電路，各自經(jīng)過一個低通濾波放大器，提取差頻信號，經(jīng)過AD采樣送入單片機計算；再由單片機將電壓增益與相移送至顯示器上；繪制出幅頻和相頻特性曲線。

圖1 頻率特性測試儀原理圖

2 硬件設(shè)計

2.1 理論分析

由正交掃頻信號源產(chǎn)生L、Q兩路正交信號，將一路信號經(jīng)過被測網(wǎng)絡(luò)；然后將被測網(wǎng)絡(luò)的輸出信號[uo]分別與正交信號進行混頻相乘，輸出[UI，][UQ，]各自經(jīng)過一個低通濾波器，提取差頻信號，經(jīng)過AD采樣送入單片機計算；再由單片機將電壓增益與相移送至顯示器上；繪制出幅頻和相頻特性曲線。公式（1）為被測網(wǎng)絡(luò)的輸出。其中，[A]為DDS輸出信號幅值；[m]為幅度增益；[φ]為相移。

[uo=Amcos（ωt+φ）] （1）

公式（2）、（3）為原信號與待測網(wǎng)絡(luò)輸出信號混頻相乘，并經(jīng)過LPF濾波后輸出的兩路信號。

[UI=12Amcosφ] （2）

[UQ=12Amsinφ] （3）

公式（4）、（5）計算AD采樣的電壓值算出待測網(wǎng)絡(luò)的電壓增益和相移，從而得出幅頻和相頻特性。

[φ=arctanUQUI] （4）

[m=2U2I+U2QA] （5）

將電壓增益轉(zhuǎn)換為（單位dB）：

[Ag=20lg4+10lg（U2I+U2Q）+20lg（A?Us）] （6）

2.2 DDS電路

DDS電路是本系統(tǒng)中的關(guān)鍵電路，產(chǎn)生兩路正交掃頻信號。根據(jù)AD9854的數(shù)據(jù)手冊，DVDD和AVDD分別為數(shù)字電源和模擬電源，分別通過磁珠接入5 V電源中。在設(shè)計中加入若干貼片封裝的10 μF和0.1 μF的電容進行電源濾波，這樣才能保證信號輸出穩(wěn)定。AD9854有四個字節(jié)的控制寄存（0x1D～0x20）需要配置，為了減少管腳的使用，采取了串行的配置方法。

2.3 AD603放大電路

DDS輸出的信號較小，輸出信號后面接一級放大電路，如圖2所示。

圖2 AD603放大電路

2.4 AD835乘法器電路

AD835是一款完整的四象限電壓輸出模擬乘法器，它產(chǎn)生[X]和[Y]電壓輸入的線性乘積，-3 dB輸出帶寬為250 MHz，如圖3所示。

圖3 AD835乘法器電路

2.5 OPA2690低通濾波器電路

首先確定截止頻率[f0]，由公式：

[AttdB=10?ln1+2πfx2πfc2n] （7）

式中：[f0]為濾波器的截止頻率；[n]是濾波器的階數(shù)；[fx]是頻率變量；[AttdB]是[fx]處的衰減。通過上式即可計算出濾波器的階數(shù)。查詢巴特沃斯歸一化表格，選擇滿足要求的歸一化濾波器，再經(jīng)過反歸一化，換算出實際的元件參數(shù)，如圖4所示。

2.6 LM358放大電路

采用LM358構(gòu)成低頻放大電路，對濾波器輸出的直流進行放大，以便后級AD采樣。如圖5所示。

2.7 AD設(shè)計

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的功能是對含有輸入信號大小、幅度和相位差信息的模擬電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并把數(shù)據(jù)交給后續(xù)電路進行數(shù)據(jù)處理?？紤]到單片機內(nèi)部ADC已經(jīng)大體滿足所需功能，決定采用MSP430F49內(nèi)部自帶的ADC，并采用軟件進行濾波，采樣80次后取平均值。

圖4 OPA2690濾波器電路

圖5 LM358放大電路

3 軟件設(shè)計

3.1 功能框圖

如圖6所示，MSP430單片機為主控芯片，通過按鍵輸入控制整個系統(tǒng)。

圖6 程序功能框圖

3.2 主流程圖

如圖7所示，程序主要通過用按鍵實現(xiàn)對模式的選取，設(shè)定初值和顯示。主要模式有信號源模式和測量模式。信號源模式分為單頻輸出和掃頻輸出；測量模式分為點頻測量和掃頻測量。

圖7 程序流程圖

4 結(jié) 語

采用先進的 DDS AD9854技術(shù)和 MSP430 單片機技術(shù)相結(jié)合的方法，配合 AD公司和 TI 公司幾種不同的新型集成電路，完成了系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了一個簡易的頻率特性測試儀。系統(tǒng)具有良好的人機接口，操作非常方便，供電可選性大大增強，整機也便于攜帶。其掃頻初始頻率及步進值能通過矩陣鍵盤進行設(shè)置，靈活性較好，適合高等學(xué)校等的電子技術(shù)、電子測量等課程的教學(xué)實驗應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計形成的硬件電路模塊和軟件程序也可用于學(xué)生的電子設(shè)計訓(xùn)練。

參考文獻

[1] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].6版.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[2] 邱關(guān)源，羅先覺.電路[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[3] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[4] 黃清泉.基于快速廣義互相關(guān)時延算法的深度測量技術(shù)[J].四川兵工學(xué)報，2009（12）：89?91.

[5] 沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[6] 葉朝鋒，崔愛英，袁燕嶺，等.數(shù)字式電路系統(tǒng)頻率特性分析儀的研制[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，51（12）：1792?1795.

[7] 賽爾吉歐·佛朗哥.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2009.

[8] 趙柏樹，操長茂.數(shù)字式頻率特性測試儀的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2001（1）：38?40.

圖1 頻率特性測試儀原理圖

2 硬件設(shè)計

2.1 理論分析

由正交掃頻信號源產(chǎn)生L、Q兩路正交信號，將一路信號經(jīng)過被測網(wǎng)絡(luò)；然后將被測網(wǎng)絡(luò)的輸出信號[uo]分別與正交信號進行混頻相乘，輸出[UI，][UQ，]各自經(jīng)過一個低通濾波器，提取差頻信號，經(jīng)過AD采樣送入單片機計算；再由單片機將電壓增益與相移送至顯示器上；繪制出幅頻和相頻特性曲線。公式（1）為被測網(wǎng)絡(luò)的輸出。其中，[A]為DDS輸出信號幅值；[m]為幅度增益；[φ]為相移。

[uo=Amcos（ωt+φ）] （1）

公式（2）、（3）為原信號與待測網(wǎng)絡(luò)輸出信號混頻相乘，并經(jīng)過LPF濾波后輸出的兩路信號。

[UI=12Amcosφ] （2）

[UQ=12Amsinφ] （3）

公式（4）、（5）計算AD采樣的電壓值算出待測網(wǎng)絡(luò)的電壓增益和相移，從而得出幅頻和相頻特性。

[φ=arctanUQUI] （4）

[m=2U2I+U2QA] （5）

將電壓增益轉(zhuǎn)換為（單位dB）：

[Ag=20lg4+10lg（U2I+U2Q）+20lg（A?Us）] （6）

2.2 DDS電路

DDS電路是本系統(tǒng)中的關(guān)鍵電路，產(chǎn)生兩路正交掃頻信號。根據(jù)AD9854的數(shù)據(jù)手冊，DVDD和AVDD分別為數(shù)字電源和模擬電源，分別通過磁珠接入5 V電源中。在設(shè)計中加入若干貼片封裝的10 μF和0.1 μF的電容進行電源濾波，這樣才能保證信號輸出穩(wěn)定。AD9854有四個字節(jié)的控制寄存（0x1D～0x20）需要配置，為了減少管腳的使用，采取了串行的配置方法。

2.3 AD603放大電路

DDS輸出的信號較小，輸出信號后面接一級放大電路，如圖2所示。

圖2 AD603放大電路

2.4 AD835乘法器電路

AD835是一款完整的四象限電壓輸出模擬乘法器，它產(chǎn)生[X]和[Y]電壓輸入的線性乘積，-3 dB輸出帶寬為250 MHz，如圖3所示。

圖3 AD835乘法器電路

2.5 OPA2690低通濾波器電路

首先確定截止頻率[f0]，由公式：

[AttdB=10?ln1+2πfx2πfc2n] （7）

式中：[f0]為濾波器的截止頻率；[n]是濾波器的階數(shù)；[fx]是頻率變量；[AttdB]是[fx]處的衰減。通過上式即可計算出濾波器的階數(shù)。查詢巴特沃斯歸一化表格，選擇滿足要求的歸一化濾波器，再經(jīng)過反歸一化，換算出實際的元件參數(shù)，如圖4所示。

2.6 LM358放大電路

采用LM358構(gòu)成低頻放大電路，對濾波器輸出的直流進行放大，以便后級AD采樣。如圖5所示。

2.7 AD設(shè)計

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的功能是對含有輸入信號大小、幅度和相位差信息的模擬電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并把數(shù)據(jù)交給后續(xù)電路進行數(shù)據(jù)處理?？紤]到單片機內(nèi)部ADC已經(jīng)大體滿足所需功能，決定采用MSP430F49內(nèi)部自帶的ADC，并采用軟件進行濾波，采樣80次后取平均值。

圖4 OPA2690濾波器電路

圖5 LM358放大電路

3 軟件設(shè)計

3.1 功能框圖

如圖6所示，MSP430單片機為主控芯片，通過按鍵輸入控制整個系統(tǒng)。

圖6 程序功能框圖

3.2 主流程圖

如圖7所示，程序主要通過用按鍵實現(xiàn)對模式的選取，設(shè)定初值和顯示。主要模式有信號源模式和測量模式。信號源模式分為單頻輸出和掃頻輸出；測量模式分為點頻測量和掃頻測量。

圖7 程序流程圖

4 結(jié) 語

采用先進的 DDS AD9854技術(shù)和 MSP430 單片機技術(shù)相結(jié)合的方法，配合 AD公司和 TI 公司幾種不同的新型集成電路，完成了系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了一個簡易的頻率特性測試儀。系統(tǒng)具有良好的人機接口，操作非常方便，供電可選性大大增強，整機也便于攜帶。其掃頻初始頻率及步進值能通過矩陣鍵盤進行設(shè)置，靈活性較好，適合高等學(xué)校等的電子技術(shù)、電子測量等課程的教學(xué)實驗應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計形成的硬件電路模塊和軟件程序也可用于學(xué)生的電子設(shè)計訓(xùn)練。

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[5] 沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

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[8] 趙柏樹，操長茂.數(shù)字式頻率特性測試儀的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2001（1）：38?40.

圖1 頻率特性測試儀原理圖

2 硬件設(shè)計

2.1 理論分析

由正交掃頻信號源產(chǎn)生L、Q兩路正交信號，將一路信號經(jīng)過被測網(wǎng)絡(luò)；然后將被測網(wǎng)絡(luò)的輸出信號[uo]分別與正交信號進行混頻相乘，輸出[UI，][UQ，]各自經(jīng)過一個低通濾波器，提取差頻信號，經(jīng)過AD采樣送入單片機計算；再由單片機將電壓增益與相移送至顯示器上；繪制出幅頻和相頻特性曲線。公式（1）為被測網(wǎng)絡(luò)的輸出。其中，[A]為DDS輸出信號幅值；[m]為幅度增益；[φ]為相移。

[uo=Amcos（ωt+φ）] （1）

公式（2）、（3）為原信號與待測網(wǎng)絡(luò)輸出信號混頻相乘，并經(jīng)過LPF濾波后輸出的兩路信號。

[UI=12Amcosφ] （2）

[UQ=12Amsinφ] （3）

公式（4）、（5）計算AD采樣的電壓值算出待測網(wǎng)絡(luò)的電壓增益和相移，從而得出幅頻和相頻特性。

[φ=arctanUQUI] （4）

[m=2U2I+U2QA] （5）

將電壓增益轉(zhuǎn)換為（單位dB）：

[Ag=20lg4+10lg（U2I+U2Q）+20lg（A?Us）] （6）

2.2 DDS電路

DDS電路是本系統(tǒng)中的關(guān)鍵電路，產(chǎn)生兩路正交掃頻信號。根據(jù)AD9854的數(shù)據(jù)手冊，DVDD和AVDD分別為數(shù)字電源和模擬電源，分別通過磁珠接入5 V電源中。在設(shè)計中加入若干貼片封裝的10 μF和0.1 μF的電容進行電源濾波，這樣才能保證信號輸出穩(wěn)定。AD9854有四個字節(jié)的控制寄存（0x1D～0x20）需要配置，為了減少管腳的使用，采取了串行的配置方法。

2.3 AD603放大電路

DDS輸出的信號較小，輸出信號后面接一級放大電路，如圖2所示。

圖2 AD603放大電路

2.4 AD835乘法器電路

AD835是一款完整的四象限電壓輸出模擬乘法器，它產(chǎn)生[X]和[Y]電壓輸入的線性乘積，-3 dB輸出帶寬為250 MHz，如圖3所示。

圖3 AD835乘法器電路

2.5 OPA2690低通濾波器電路

首先確定截止頻率[f0]，由公式：

[AttdB=10?ln1+2πfx2πfc2n] （7）

式中：[f0]為濾波器的截止頻率；[n]是濾波器的階數(shù)；[fx]是頻率變量；[AttdB]是[fx]處的衰減。通過上式即可計算出濾波器的階數(shù)。查詢巴特沃斯歸一化表格，選擇滿足要求的歸一化濾波器，再經(jīng)過反歸一化，換算出實際的元件參數(shù)，如圖4所示。

2.6 LM358放大電路

采用LM358構(gòu)成低頻放大電路，對濾波器輸出的直流進行放大，以便后級AD采樣。如圖5所示。

2.7 AD設(shè)計

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的功能是對含有輸入信號大小、幅度和相位差信息的模擬電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并把數(shù)據(jù)交給后續(xù)電路進行數(shù)據(jù)處理?？紤]到單片機內(nèi)部ADC已經(jīng)大體滿足所需功能，決定采用MSP430F49內(nèi)部自帶的ADC，并采用軟件進行濾波，采樣80次后取平均值。

圖4 OPA2690濾波器電路

圖5 LM358放大電路

3 軟件設(shè)計

3.1 功能框圖

如圖6所示，MSP430單片機為主控芯片，通過按鍵輸入控制整個系統(tǒng)。

圖6 程序功能框圖

3.2 主流程圖

如圖7所示，程序主要通過用按鍵實現(xiàn)對模式的選取，設(shè)定初值和顯示。主要模式有信號源模式和測量模式。信號源模式分為單頻輸出和掃頻輸出；測量模式分為點頻測量和掃頻測量。

圖7 程序流程圖

4 結(jié) 語

采用先進的 DDS AD9854技術(shù)和 MSP430 單片機技術(shù)相結(jié)合的方法，配合 AD公司和 TI 公司幾種不同的新型集成電路，完成了系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了一個簡易的頻率特性測試儀。系統(tǒng)具有良好的人機接口，操作非常方便，供電可選性大大增強，整機也便于攜帶。其掃頻初始頻率及步進值能通過矩陣鍵盤進行設(shè)置，靈活性較好，適合高等學(xué)校等的電子技術(shù)、電子測量等課程的教學(xué)實驗應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計形成的硬件電路模塊和軟件程序也可用于學(xué)生的電子設(shè)計訓(xùn)練。

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[5] 沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[6] 葉朝鋒，崔愛英，袁燕嶺，等.數(shù)字式電路系統(tǒng)頻率特性分析儀的研制[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，51（12）：1792?1795.

[7] 賽爾吉歐·佛朗哥.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2009.

[8] 趙柏樹，操長茂.數(shù)字式頻率特性測試儀的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2001（1）：38?40.