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1、简易频率特性测试仪（E题）一、系统方案本系统主要由正交扫频信号源模块（DDS）、被测网络模块、乘法器模块、低通模块、显示模块、电源模块组成，最终通过液晶显示出幅频和相频曲线。1.1 正交扫频信号源模块的论证与选择方案一：使用FPGA编程，运用DDS原理产生系统所需波形信号源。此法成本低廉，但其性能受晶振频率精度限制较大，外部对应处理电路较为复杂。方案二：采用锁相环（PLL）频率合成信号源,PLL频率合成器的输出频率可以按需要步进地变化，锁定后，其输出频率可以达到与参考频率同量级的频率精度和稳定度。但其电路连接较为复杂，频率调整麻烦。方案三：使用集成DDS芯片AD9854模块实现扫频波形发生，操
2、作简单，频率精度与范围都可达到较高，波形稳定度高。综合以上三种方案，选择方案三。1.2 控制系统的论证与选择方案一：选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。方案二：采用MSP430F249单片机作为主控制器。MSP430F249是一个超低功耗，和其他F14x系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，内部自带
3、ADC12模数转换模块，有6组I/O口，降低了系统软件设计的难度，电路设计简单、价格低廉。综合以上三种方案，选择方案三。二、系统理论分析与计算2.1 正交扫频信号源的分析 正交扫频信号源主要是由AD9854芯片构成的， AD9854数字合成器是高集成度的器件，它采用先进的DDS技术，片内整合了两路高速、高性能正交D/A转换器通过数字化编程可以输出I、Q两路合成信号。在高稳定度时钟的驱动下，AD9854将产生一高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦和余弦信号，作为本振用于通信，雷达等方面。AD9854的DDS核具有48位的频率分辨率（在300M系统时钟下，频率分辨率可达1uHZ），可进行频移键控（
4、FSK），二元相移键控（BPSK），相移键控（PSK），脉冲调频（CHIRP），振幅调制（AM）操作，它含有正交的双通道12位D/A转换器，超高速比较器和3皮秒有效抖动偏差。2.2 被测网络的计算 2.2.1 被测网络电路图 系统设计要求中的被测网络为一RLC串联谐振，如图1所示。图1 串联谐振网络2.2.2 被测网络的原理被测网络是由R、L、C组成的串联谐振回路，而串联回路适合于信号源和负载串接，从而使信号电流有效的送给负载。它的作用有以下两点：（1）选频滤波：从输入信号中选出有用频率分量，抑制无用频率分量或噪声；（2）阻抗变换及匹配。2.2.3被测网络的计算被测网络RLC回路谐振时，回路的
5、感抗与容抗相等，互相抵消，回路阻抗最小，且为纯阻。fo=20MHz,Q=4,根据其如下公式： 用multisim软件仿真，计算出电阻，电容及电感，我们采用的一组数据是：R=5欧姆，L=3300nH，C=20pF。2.3低通滤波电路设计低通滤波选用的是四阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率设为250kHz，其具有通带最大平坦幅度特性，它由两级二阶有源低通滤波器串联而成，设计过程中直接用滤波器的软件来进行仿真，就可以直接得到低通滤波器的电路图及频域特性图。该电路利用OPA606KP精密运放的高阻抗、低偏置电流的特点组成四阶有源滤波器，该系统用低通滤波来滤掉二倍频的正弦波和余弦波，只让直流信号通过。系统设
6、计要求中的低通滤波为一四阶巴特沃斯低通滤波，如图2所示。图2 低通滤波电路三、电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图3所示。图3 系统总体框图此系统主要由DDS产生两路正交扫频信号，与被测网络相乘，低通后得到直流信号分量，再送给单片机内部AD进行采样计算，通过液晶显示测量数值及幅频相频曲线。3.1.2正交扫频信号源的电路1正交扫频信号源为一DDS模块（使用AD9854芯片），如图4所示。图3 正交扫频信号源电路此DDS模块，最主要的是使用了AD9854芯片，此芯片的引脚图如图4所示。图4 AD9854芯片引脚AD9854芯片特征：有48个I/O口，内部时钟频率为3
7、00MHz，可进行频移键控（FSK），二元相移键控（BPSK），相移键控（PSK），脉冲调频（CHIRP），振幅调制（AM）操作，它有正交的双通道12位D/A转换器超高速比较器，3皮秒有效抖动偏差。 AD9854有5种可编程操作模式，此系统中，我们使用单信号模式（000），这是用户复位之后的一种默认模式。也可以通过用户编程使能这种模式。相位累加器用以产生信号的频率，它有48位有效值，取自频率调整寄存器1，它的默认值为0。保留寄存器的默认值更能决定输出信号的质量。用户复位后，默认设置配置器件，输出0HZ，0相位的信号。在上电复位时，在I和Q通道输出的是一半满幅电流的直流信号。这是默认模式的0幅度
8、输出。选择幅度开关键控模式则需要更多细节的输出幅度控制。若输出用户定义的信号需要对28个寄存器全部或部分进行编程。 和所有AD DDS器件一样，频率控制字有如下定义： FTW = (Desired Output Frequency 2N)/SYSCLK 式中：N相位累加器的资源（本器件48位）。Frequency 以HZ表示。FTW （频率调整字）是一个定义数字。 一旦定义数字选定，它必须转换为内部的权重为1或0的48位串行二进制码。建立的DAC输出信号频率范围从直流到1/2系统时钟。改变频率时相位是连续的，这意味着新的频率的相位取样值参考之前输出频率的相位取样值。AD9854的I和Q通道输出
9、的信号总是保持90度的相位差。调整每个通道的输出相位两个14位相位寄存器并不是独立的。换而言之，两DAC输出通过相位补偿互相影响。3.1.3被测网络子系统电路图1、被测网络为一RLC串联谐振，电路仿真图如图5所示：图5 RLC串联谐振从图中可以看出，RLC谐振回路中心频率，品质因数与系统要求的中心频率为20MHz，品质因数为4几乎相等，即此电路符合要求。2. 被测网络RLC串联谐振回路的幅频特性曲线如下图6所示.图6 幅频曲线由图可以看出，在中心频率20MHz时，幅度最大，当频率离中心频率越远时，幅度值就越小。3.被测网络RLC串联谐振回路的相频特性曲线如下图7所示。图7 相频曲线由图可以看出
10、，在中心频率20MHz附近时，相位减小最快，离中心频率越远，相位几乎不变。3.1.4低通滤波子系统仿真图低通滤波电路原理仿真图如图8所示。图8 低通滤波仿真图此四阶巴特沃斯低通滤波器设置的截止频率如下所示：Fc=250KHz-3dB Fc=143KHz(-0.1dB)Fc=1MHz(-48.1dB) Fc=2MHz(-72.1dB)3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。1）键盘实现功能：设置频率值、频段、电压值以及设置输出信号类型。2）显示部分：显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率。2、程序设计思路单片机给DDS送入扫
11、频信号，输出两路正交扫频信号，将被测网络与乘法器相乘，得到倍频信号和直流信号，再经过低通滤波，得到直流信号，送给单片机的AD进行采集，测出幅频和相频值并通过液晶进行显示。对于中心频率和-3dB带宽，在1MHz40MHz内，以100KHz为步进，采集390个点，通过冒泡算法两两比较找到幅值最大的点，即为中心频率，最大幅值的处的两个频率差为带宽。3.2.2程序流程图1、主程序流程图上述流程中，值得注意的是“延时”环节。扫频测量法是一种穏态测量方法，需要等到网络的输出达到穏态后才能测量。低频电路的带宽都较窄，响应建立时间长。扫速太快，将使测得的特性曲线畸变失真，形成所谓的“建立误差”。如果被测的是一
12、个带通滤波器，因扫速太快而造成的频率特性失真。2、按键子程序流程图通过对按键的检测，当检测到按键按下时，分为1,2按键的显示及功能，通过单片机对其控制处理，使其能在液晶上显示测试数据及曲线。四、测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试将各个模块电路用数字万用表测测电路电源、地是否有短接，虚焊，测试好后，再连上电源，信号进行测试。2、软件仿真测试由于使用的是MSP430单片机编程，所以用IAR软件进行仿真测试，需要430的下载线，需要注意的是切勿带电插拔下载线。3、硬件软件联调软硬件测试好后，根据电路图及软件定义端口进行连接电路，要注意电源的正负极。进行测量时，要一级级测量，观察输出的波形及
13、数值，若有问题，通过一级级测量后，能更好的检查电路。4.2调试条件与仪器调试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。调试仪器：数字示波器一台，电源两个，数字万用表一个，计算机一台4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)1.幅度、相位测试结果如下表所示： 频率（MHz）101520253040幅度（dB）-21.45-13.17-1.36-12.32-17.25-22.18相位（度）84.6675.84-18.58-74.45-81.83-85.15计算幅度和相位：（I、Q为正弦和余弦输出的两路通道信号）幅度： 相位：2.中心频率及带宽测试结果如下表所示:中心频率fo(MHz)-3dB带宽(MHz)19.563.134.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：1根据液晶的显示，频率的范围是在1MHz40MHz内进行变化2离中心频率越远，幅度就越小；在频率范围内，随着频率的增加，相位在减小，且在中心频率附近剧减3.由于用的是有源晶体振荡器，频率稳定度很高，完全能达到指标要求4由于电路衰减过多，出现的幅频曲线不是很理想综上所述，本设计基本达到设计要求。
