基于DDS的頻率特性測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

沈陽(yáng)，楊欽鵬，曹洪奎，祖天一

基于DDS的頻率特性測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

沈陽(yáng)1，楊欽鵬2，曹洪奎2，祖天一2

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

設(shè)計(jì)了一種基于DDS技術(shù)的頻率特性測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)由單片機(jī)IAP15W4K58S4控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生弦掃頻信號(hào)，由相位與頻率的關(guān)系、幅度與頻率的關(guān)系得出相頻特性曲線和幅頻特性曲線。測(cè)試結(jié)果表明，基于單片機(jī)技術(shù)的頻率特性測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性測(cè)量與顯示等功能。

頻率特性；DDS技術(shù)；峰值檢測(cè)；相位檢測(cè)

1 引言

在現(xiàn)代電子電路系統(tǒng)中，頻率特性是信號(hào)放大傳輸電路的重要特性指標(biāo)，能反映電路在不同信號(hào)頻率輸入下的系統(tǒng)響應(yīng)。頻率特性測(cè)試設(shè)備為放大電路的性能分析提供了極大的便利。由單片機(jī)作為主控制器，配合其他器件（如DDS芯片等）組成掃頻信號(hào)源，利用數(shù)字式控制系統(tǒng)完成掃頻功能，這種設(shè)計(jì)頻率特性測(cè)量系統(tǒng)的方法以它的高性價(jià)比受到越來(lái)越多人的青睞。

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)IAP15W4K58S4為控制核心，結(jié)合DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由單片機(jī)IAP15W4K58S4控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生正弦掃頻信號(hào)，正弦掃頻信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖放大后輸入到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入端，被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)再經(jīng)過(guò)整形電路和由異或門74LS86構(gòu)成的相位檢測(cè)電路得到該輸出信號(hào)的頻率和相位差；同時(shí)通過(guò)由AD736構(gòu)成的峰值檢測(cè)電路測(cè)得輸出信號(hào)的峰值，經(jīng)換算得出該信號(hào)的幅度。由相位與頻率的關(guān)系、幅度與頻率的關(guān)系得出相頻特性曲線和幅頻特性曲線，并將特性曲線顯示在2.8寸TFT液晶屏上，從而完成對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性的測(cè)量與顯示。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)具體由九大部分構(gòu)成：微控制器主控電路、DDS模塊、緩沖放大電路、被測(cè)網(wǎng)絡(luò)、整形電路、峰值檢測(cè)電路，相位測(cè)量電路、按鍵模塊和顯示電路，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 頻率特性測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

它的總體思路如下：系統(tǒng)以單片機(jī)IAP15W4K58S4為核心，采用單片機(jī)IAP15W4K58S4控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生測(cè)試所需的正弦掃頻信號(hào)源，經(jīng)過(guò)緩沖放大后輸入到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入端，輸出信號(hào)頻率與測(cè)試信號(hào)相同，但幅度和相位發(fā)生變化。被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出響應(yīng)信號(hào)經(jīng)峰值檢測(cè)電路再整流濾波后，送至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，顯示信號(hào)的幅值。同時(shí)，采用兩路由電壓比較器構(gòu)成的波形整形電路，將輸入信號(hào)和被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)整形為脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)異或門電路進(jìn)行異或運(yùn)算得到相位差脈沖信號(hào)，對(duì)相位差脈沖信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)的高電平定時(shí)計(jì)算得到脈寬，由脈寬與周期和角度的關(guān)系計(jì)算出相位差。由幅度與頻率的計(jì)算關(guān)系以及相位與頻率的計(jì)算關(guān)系得出幅頻特性曲線和相頻特性曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過(guò)軟件計(jì)算和控制使曲線在TFT液晶屏上顯示，完成對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性測(cè)量。

3 系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)

3.1 微控制器最小系統(tǒng)

微控制器用于控制DDS芯片產(chǎn)生原始的正弦掃頻信號(hào)源，信號(hào)源經(jīng)過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后，通過(guò)相位檢測(cè)和峰值檢測(cè)電路采集檢測(cè)到發(fā)生了變化的輸出正弦信號(hào)的相位與幅度數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)通過(guò)程序進(jìn)行分析計(jì)算，并根據(jù)幅度與頻率的計(jì)算關(guān)系以及相位與頻率的計(jì)算關(guān)系得出幅頻特性曲線和相頻特性曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，然后通過(guò)軟件計(jì)算和控制使曲線在TFT液晶屏上顯示，從而完成對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性測(cè)量。

總的來(lái)說(shuō)，微控制器可控制正弦掃頻信號(hào)源的輸出，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算處理，完成邏輯控制以及數(shù)據(jù)處理和人機(jī)交互功能，控制整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直觀顯示作用，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。系統(tǒng)主控芯片選擇STC公司增強(qiáng)型51單片機(jī)IAP15W4K58S4。

3.2 正弦掃頻信號(hào)源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)，DDS芯片AD9850與單片機(jī)IAP15W4K58S4配合使用，實(shí)現(xiàn)輸出頻率可控的正弦掃頻信號(hào)源。單片機(jī)IAP15W4K58S4與AD9850的接口采用串行方式，通過(guò)按鍵向AD9850發(fā)送32位頻率控制字，用于改變頻率值，實(shí)現(xiàn)掃頻功能。由AD9850構(gòu)成的正弦掃頻信號(hào)源電路如圖2所示。

圖2 正弦掃頻信號(hào)源電路

采用硬件電路連接實(shí)現(xiàn)AD9850串行方式傳輸數(shù)據(jù)，具體引腳接法為：AD9850的D0、D1引腳接VCC，即高電平置1；D2、D3、D4、D5、D6引腳接地，即低電平置0；D7為串行數(shù)據(jù)傳輸引腳用來(lái)接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，更改頻 率值。

AD9850與單片機(jī)接口具體連接為：AD9850的D7、RESET、FQ_UD、W_CLK引腳分別與單片機(jī)P0.0、P0.1、P0.2、P0.3相連實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)AD9850輸出頻率的控制。在該系統(tǒng)中，使用125 MHz的外部有源晶振，為了使輸出信號(hào)頻率能夠最大程度地降低AD9850外部系統(tǒng)時(shí)鐘晶振的干擾，將信號(hào)加到模擬系統(tǒng)的輸入端，利用測(cè)量?jī)x器，可得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)。

3.3 緩沖放大電路設(shè)計(jì)

3.4 峰值檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用AD公司推出的真有效值直流變換器AD736。AD736可以對(duì)信號(hào)頻率為500 kHz以下、幅度低于200 mV的信號(hào)進(jìn)行峰值檢測(cè)，輸出直流信號(hào)，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、檢測(cè)精度和靈敏度高的特點(diǎn)。

3.5 相位檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

DDS產(chǎn)生的原始掃頻信號(hào)源和經(jīng)過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)電路后輸出的正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器LM393構(gòu)成的正弦信號(hào)過(guò)零比較整形電路，得到兩路矩形脈沖信號(hào)，再對(duì)兩路矩形脈沖信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算，得到信號(hào)的高電平時(shí)間對(duì)應(yīng)角度即是相位差。相位差角度與頻率的關(guān)系通過(guò)程序控制，使其對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)函數(shù)曲線在TFT液晶屏上顯示。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)頻率特性測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)頻率特性測(cè)量原理進(jìn)行了說(shuō)明，并完成了系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，以及硬件電路、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試。針對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)采用IAP15W4K58S4微控制器作為核心控制器件，用于采集各個(gè)測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，再根據(jù)數(shù)據(jù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系控制測(cè)量結(jié)果的輸出顯示。使用DDS芯片AD9850實(shí)現(xiàn)正弦掃頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)提供測(cè)量信號(hào)源；采用真有效值芯片AD736對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)電路輸出信號(hào)的幅度值進(jìn)行檢測(cè)。還針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的穩(wěn)壓電源，并對(duì)各個(gè)硬件模塊的外圍電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)及相關(guān)說(shuō)明。由于單個(gè)模塊電路測(cè)量時(shí)會(huì)存在一定的誤差，必須使用相應(yīng)的方法將各個(gè)模塊電路的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，才能解算出比較精確和穩(wěn)定的輸出數(shù)據(jù)。對(duì)于正弦掃頻信號(hào)源部分，采用軟件程序?qū)︻l率修正，減小參考時(shí)鐘晶振帶來(lái)的誤差；對(duì)A/D采集部分采用算術(shù)平均濾波法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，減小隨機(jī)信號(hào)的干擾。測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)技術(shù)的頻率特性測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性測(cè)量與顯示等功能。系統(tǒng)具有操作方便、成本低廉、結(jié)果顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)。

［1］孫銳，朱軍，丁大為.基于DDS模塊的簡(jiǎn)易數(shù)字頻率特性測(cè)試儀設(shè)計(jì)［J］.智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2016（3）：117-118.

［2］孟瑞麗，宋安，張宏群，等.一種數(shù)字頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)［J］.南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（2）：137-141.

［3］呂念芝，張?zhí)熘?基于DDS的數(shù)字式頻率特性測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)［J］.菏澤學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（2）：24-28.

TM935.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.001

2095－6835（2020）08－0001－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕