一種基于零中頻正交解調(diào)的頻率特性測(cè)試儀

朱創(chuàng)，靳東賢，張志堅(jiān)，葉李新

（東莞理工學(xué)院，廣東東莞，523000）

0 引言

頻率特性測(cè)試儀也稱掃頻儀，能夠輸出指定范圍的掃頻信號(hào)，根據(jù)測(cè)量經(jīng)過(guò)二端口網(wǎng)絡(luò)的掃頻信號(hào)變化[1-2]，進(jìn)而得出二端口網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性，相頻特性等參數(shù)[3]。頻率特性測(cè)試儀通常用于測(cè)量衰減網(wǎng)絡(luò)，放大電路，濾波電路，諧振網(wǎng)絡(luò)，甚至電子器件等等，對(duì)于電路設(shè)計(jì)，電路維護(hù)和高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)等領(lǐng)域中具有重要的作用[4]。

目前國(guó)內(nèi)的中低端的頻率特性測(cè)試儀仍存在很多缺陷，而國(guó)外的頻率特性測(cè)試儀雖然性能優(yōu)越，功能全面，但往往價(jià)格昂貴，不適合國(guó)內(nèi)的推廣，所以國(guó)內(nèi)的中低端的頻率特性測(cè)試儀仍有很大的需求[5]?，F(xiàn)今我們國(guó)內(nèi)的頻率特性測(cè)試儀的幅頻特性曲線的測(cè)量主要采用峰值檢測(cè)或有效值檢測(cè)，相頻特性曲線的測(cè)量主要采用相位差法，這些電路的設(shè)計(jì)往往集成度低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差，造成維修困難，測(cè)量精度也不高，阻礙了頻率特性測(cè)試儀的推廣使用[6-7]。近幾年來(lái)，業(yè)界提出了基于零中頻正交解調(diào)的頻率特性測(cè)試儀，成為中低頻的頻率特性測(cè)量的熱門技術(shù)[8]。利用零中頻正交解調(diào)原理，將高頻信號(hào)下變頻到直流信號(hào)，避免了高頻信號(hào)的處理，降低了對(duì)電子元器件的性能要求[9]。為中低端的頻率特性測(cè)試儀在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)能更好地推廣，本文基于零中頻正交解調(diào)電路設(shè)計(jì)了一款高精度，高性價(jià)比，具有友好人機(jī)交互界面的頻率特性測(cè)試儀，對(duì)中低端頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)提供了參考意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案

頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由STM32F407作為主控，信號(hào)源選擇ADI公司的一款DDS芯片AD9959，經(jīng)過(guò)放大器OPA695進(jìn)行緩沖放大后，為零中頻正交解調(diào)電路提供兩路正交信號(hào)I(t)和Q(t)和被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)信號(hào)T(t)。激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)待測(cè)網(wǎng)絡(luò)之后，為保證測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)滿足零中頻正交解調(diào)電路的解調(diào)條件，還需經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將其適當(dāng)放大或衰減，再送入零中頻正交解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，最后用STM32F407片內(nèi)的12位ADC采集解調(diào)信號(hào)并計(jì)算測(cè)量結(jié)果。由于STM32F407片內(nèi)的ADC采集范圍為0～3.3V，而零中頻正交解調(diào)的輸出信號(hào)可能出現(xiàn)負(fù)電壓，所以采用精密直流放大器AD8237將解調(diào)得到的電壓抬至ADC采集的范圍，最后STM32F07將采集得到的信號(hào)計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性顯示在TFT-LCD上。

圖1 頻率特性測(cè)試儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.2 零中頻正交解調(diào)在頻率特性測(cè)量上的應(yīng)用原理

零中頻正交解調(diào)在頻率特性測(cè)量的應(yīng)用如圖2所示。信號(hào)源輸出兩路正交信號(hào)I(t)=Acosθ和Q(t)=Asinθ，并把其中的I(t)作為測(cè)試信號(hào)。當(dāng)測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)之后幅度和相位發(fā)生了變化，原本的測(cè)試信號(hào)變成了式(1)。

圖2 基于零中頻正交解調(diào)的頻率特性測(cè)試

將經(jīng)過(guò)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)與正交信號(hào)相乘得到式(2)和式(3)。

再將乘法器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器得到式(4)和式(5)。

通過(guò)（6）和（7）得到網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)

2.1 正交掃頻信號(hào)源設(shè)計(jì)

AD9959是ADI公司的一款直接數(shù)字頻率合成的集成芯片，具有4個(gè)獨(dú)立的頻率，幅度，相位控制通道輸出，500MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，最大系統(tǒng)時(shí)鐘下具有0.12Hz的分辨率，10位的幅度控制字，14位的相位的控制字。在此系統(tǒng)中AD9959的系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置為500MHz，最大掃頻范圍為100Hz～100MHz，DAC最大輸出電流是由DAC_RST管腳上的電阻設(shè)置的，電路中電阻值選擇1.8kΩ，則最大輸出電流為10.5mA，電路中AD9959的負(fù)載為50Ω，所以AD9959的最大輸出電壓為0.525 Vpp。

為了進(jìn)一步提高AD9959的輸出幅度和驅(qū)動(dòng)能力，選擇TI公司的一款電流反饋高速放大器OPA695，對(duì)AD9959輸出的信號(hào)進(jìn)行緩沖放大，OPA695的放大倍數(shù)設(shè)置為8倍，則最大輸出電壓可以為4.2Vpp。OPA695設(shè)計(jì)電路如圖3所示。為滿足頻帶內(nèi)輸出的幅度有更好的平坦度，AD9959的輸出濾波電路選擇巴特沃茲濾波器，截止頻率為200MHz。為了保證AD9959的輸出信號(hào)具有更低的噪聲，在PCB的設(shè)計(jì)上需要將數(shù)字地和模擬地單點(diǎn)接地，模擬輸出信號(hào)的走線盡可能遠(yuǎn)離其他信號(hào)線，避免信號(hào)之間串?dāng)_。

圖3 OPA695電路圖

2.2 零中頻正交解調(diào)電路設(shè)計(jì)

零中頻正交電路由AD835，RC低通濾波器和直流放大器組成。乘法器選擇ADI公司的一款具有250MHz的帶寬的四象模擬乘法器AD835，可以滿足中低頻段的頻率特性的測(cè)量，由于片內(nèi)電路的優(yōu)化和帶隙電壓基準(zhǔn)的使用，AD835 的輸出噪聲典型值僅為50 nV/，保證了相乘信號(hào)盡可能小的失真。另外，AD835 需要的外圍電路非常少，配置相當(dāng)方便。AD835設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4 AD835電路

經(jīng)過(guò)AD835相乘后的信號(hào)需要濾除交流分量得到直流信號(hào)，濾波器選擇簡(jiǎn)單的無(wú)源的三階RC濾波，選取電阻1kΩ，電容10μF，保證信號(hào)頻率在200Hz時(shí)衰減大于60dB。為了使得解調(diào)電壓輸出在ADC采集的電壓范圍內(nèi)，還需要對(duì)解調(diào)的信號(hào)抬升到正電壓，所以選用精密的直流放大器AD8237將低通濾波器輸出的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠛吞?，由于AD835的輸入信號(hào)需要小于2Vpp，所以兩路不同相位的正弦信號(hào)相乘得到的直流信號(hào)在±0.5V范圍內(nèi)，所以AD8237的增益設(shè)置為3倍，將輸入電壓抬高1.65V，則AD8237的最高輸出電壓3.15V，最低電壓0.15V，保證了AD8237的輸出電壓在ADC的采集范圍內(nèi)。AD8237設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖5 直流放大電路

■ 2.3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路由程控衰減電路如圖6所示，壓控放大電路兩部分構(gòu)成。程控衰減器選擇ADI公司的HMC472，HMC472是一款DC - 3.8 GHz ，0.5dB步進(jìn)，6位數(shù)字正電壓控制衰減器，最大衰減為31.5dB，DC - 3.8 GHz最大插入損耗為1.8dB，最大輸入電平為28dBm。為了進(jìn)一步增加衰減范圍，所以將兩塊HMC472級(jí)聯(lián)，最大可以獲得63dB的衰減。由于HMC472的RF1和RF2管腳需要交流耦合輸入，選擇盡可能大的電容使得HMC472工作在盡可能低的頻率。

圖6 信號(hào)調(diào)理電路

壓控放大電路由固定放大器和壓控放大器構(gòu)成，固定放大器選擇ADI的一款低噪高速放大器OPA847，壓擺率950V/us，增益帶寬積3.9GHz，輸入電壓噪聲0.85，非常適合用于低噪寬帶放大，OPA847的增益設(shè)置為21.6dB。壓控放大器選擇TI公司的VCA821，最大增益設(shè)置為20dB。所以信號(hào)調(diào)理電路的增益控制范圍為-63～41.6dB。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)如圖7所示。由于放大器，乘法器等元器件不可避免存在輸出失調(diào)電壓，通帶內(nèi)不平坦，輸出信號(hào)相位發(fā)生改變等問(wèn)題，導(dǎo)致影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，所以待系統(tǒng)的各個(gè)模塊完成初始化的工作后，需要將儀器的輸入輸出端口短接，對(duì)頻率特性測(cè)試儀進(jìn)行一次直通校準(zhǔn)，獲取系統(tǒng)自身的頻率特性。直通校準(zhǔn)完成后，可通過(guò)按鍵來(lái)設(shè)置正交掃頻信號(hào)源的輸出電平和掃頻模式。STM32F407采樣零中頻正交解調(diào)后的信號(hào)后，判斷采集的直流信號(hào)的大小，進(jìn)而控制信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)胤糯蠡蛘咚p，使得解調(diào)輸出的直流信號(hào)能夠被準(zhǔn)確地采集。最后將計(jì)算出增益和相位的變化顯示在LCD上。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試內(nèi)容主要為：測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后輸出的幅頻、相頻特性曲線、點(diǎn)頻測(cè)量得到的幅度和相位信息。測(cè)試使用到的儀器有：電源、萬(wàn)用表、數(shù)字示波器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等。根據(jù)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得：顯示的幅頻特性、相頻特性曲線清晰，各項(xiàng)指標(biāo)均在誤差允許范圍內(nèi)，具體數(shù)據(jù)如表1、2所示。

表1 信號(hào)幅度測(cè)量對(duì)比表

表2 信號(hào)相位測(cè)量對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的頻率特性測(cè)試儀，采用了基于零中頻正交解調(diào)的頻率特性測(cè)量方法，簡(jiǎn)化了頻率特性測(cè)量電路。由模擬乘法器和低通濾波器組成的零中頻正交解調(diào)電路，將高頻信號(hào)解調(diào)為包含測(cè)試網(wǎng)頻率特性信息的直流信號(hào)，再通過(guò)單片機(jī)采集和計(jì)算就繪出了測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的幅頻曲線和相頻曲線。設(shè)計(jì)中加入了信號(hào)調(diào)理電路，避免進(jìn)行零中頻正交解調(diào)時(shí)，因信號(hào)幅度不滿足解調(diào)條件帶來(lái)的測(cè)量誤差。頻率特性測(cè)試儀的電路主要選用集成芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了電路的集成度和穩(wěn)定性，這對(duì)于測(cè)試儀后期的維護(hù)更加簡(jiǎn)便。本文設(shè)計(jì)的頻率特性測(cè)試儀在中低頻的幅頻特性和相頻特性的測(cè)量精度高，性能優(yōu)越，成本低，對(duì)中低端的頻率特性測(cè)試儀的實(shí)際應(yīng)用有很好的參考價(jià)值。