数字频率特性测试仪的设计

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇数字频率特性测试仪的设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要： 传统的模拟式频率特性测试仪存在价格昂贵、条件苛刻、操作不便和性能指标易受温漂因素影响等不足。针对以上缺点，通过采用数字技术，将先进的 DDS 和 MSP430 单片机相结合，集合一些常用的模拟电路，设计了一个简易的频率特性测试仪。系统对待测电路的输入信号及其输出响应采样，经数字信号处理后，获得电路的幅频特性和相频特性。设计的测试仪测某RLC网络，中心频率的相对误差小于0.2%，有载品质因数相对误差小于1.25%，最大电压增益大于-1 dB。频率特性测试仪输入输出阻抗均为50 Ω，幅频误差绝对值小于0.5 dB，相频误差绝对值小于3°。测试仪能满足一般测试参数需求。

关键字： 幅频特性测试； 直接数字式频率合成器； 串联谐振； 扫频

中图分类号： TN77?34 文献标识码： A 文章编号： 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

频率特性测试仪俗称扫频仪，用于测量网络（电路）的频率特性，如测量滤波器、放大器、高频调谐器、双工器、天线等的频率特性，而且往往用于对这些电子设备或网络的测试，是实验室中常用的电子测量仪器之一。目前仍普遍应用于高等学校等学术研究机构的传统模拟式频率特性测试仪价格昂贵，操作不便，在电路性能方面不可避免地受模拟电路固有的温漂等因素影响。频率特性测试仪的核心部件是正弦扫频信号源，在传统方式实现时一般基于模拟器件结合分立元件构成，相对于基于数字技术实现的电路，稳定性较差，人机接口困难。目前，DDS直接数字频率合成技术得到高速发展，因此用DDS数字方式实现正弦扫频信号源，可以克服纯模拟电路的种种缺点。本设计以TI公司的MSP430为主控芯片，以DDS芯片AD9854为核心，构成扫频信号源；再通过后续模拟电路的处理，得出被测网络的幅频特性和相频特性，并且在液晶显示器上面显示出来。

1 系统总体设计

系统的总体设计框图如图1所示，按照信号的传递和处理次序，对系统进行了模块化设计。

单片机有全面的配件构成，有键盘，有TFT液晶彩屏。首先，通过键盘选择相应的模式，然后单片机控制DDS产生相应的正交扫频信号；DDS产生的微弱信号经过AD603构成的固定增益放大电路进行放大，设置其中一路信号经过待测网络；待测网络输出的信号和原信号两两分别进入AD835组成乘法器电路，各自经过一个低通滤波放大器，提取差频信号，经过AD采样送入单片机计算；再由单片机将电压增益与相移送至显示器上；绘制出幅频和相频特性曲线。

图1 频率特性测试仪原理图

2 硬件设计

2.1 理论分析

由正交扫频信号源产生L、Q两路正交信号，将一路信号经过被测网络；然后将被测网络的输出信号[uo]分别与正交信号进行混频相乘，输出[UI，][UQ，]各自经过一个低通滤波器，提取差频信号，经过AD采样送入单片机计算；再由单片机将电压增益与相移送至显示器上；绘制出幅频和相频特性曲线。公式（1）为被测网络的输出。其中，[A]为DDS输出信号幅值；[m]为幅度增益；[φ]为相移。

[uo=Amcos（ωt+φ）] （1）

公式（2）、（3）为原信号与待测网络输出信号混频相乘，并经过LPF滤波后输出的两路信号。

[UI=12Amcosφ] （2）

[UQ=12Amsinφ] （3）

公式（4）、（5）计算AD采样的电压值算出待测网络的电压增益和相移，从而得出幅频和相频特性。

[φ=arctanUQUI] （4）

[m=2U2I+U2QA] （5）

将电压增益转换为（单位dB）：

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

2.2 DDS电路

DDS电路是本系统中的关键电路，产生两路正交扫频信号。根据AD9854的数据手册，DVDD和AVDD分别为数字电源和模拟电源，分别通过磁珠接入5 V电源中。在设计中加入若干贴片封装的10 μF和0.1 μF的电容进行电源滤波，这样才能保证信号输出稳定。AD9854有四个字节的控制寄存（0x1D～0x20）需要配置，为了减少管脚的使用，采取了串行的配置方法。

2.3 AD603放大电路

DDS输出的信号较小，输出信号后面接一级放大电路，如图2所示。

图2 AD603放大电路

2.4 AD835乘法器电路

AD835是一款完整的四象限电压输出模拟乘法器，它产生[X]和[Y]电压输入的线性乘积，-3 dB输出带宽为250 MHz，如图3所示。

图3 AD835乘法器电路

2.5 OPA2690低通滤波器电路

首先确定截止频率[f0]，由公式：

[AttdB=10?ln1+2πfx2πfc2n] （7）

式中：[f0]为滤波器的截止频率；[n]是滤波器的阶数；[fx]是频率变量；[AttdB]是[fx]处的衰减。通过上式即可计算出滤波器的阶数。查询巴特沃斯归一化表格，选择满足要求的归一化滤波器，再经过反归一化，换算出实际的元件参数，如图4所示。

2.6 LM358放大电路

采用LM358构成低频放大电路，对滤波器输出的直流进行放大，以便后级AD采样。如图5所示。

2.7 AD设计

模数转换电路的功能是对含有输入信号大小、幅度和相位差信息的模拟电压信号进行模数转换，并把数据交给后续电路进行数据处理。考虑到单片机内部ADC已经大体满足所需功能，决定采用MSP430F49内部自带的ADC，并采用软件进行滤波，采样80次后取平均值。

图4 OPA2690滤波器电路

图5 LM358放大电路

3 软件设计

3.1 功能框图

如图6所示，MSP430单片机为主控芯片，通过按键输入控制整个系统。

图6 程序功能框图

3.2 主流程图

如图7所示，程序主要通过用按键实现对模式的选取，设定初值和显示。主要模式有信号源模式和测量模式。信号源模式分为单频输出和扫频输出；测量模式分为点频测量和扫频测量。

图7 程序流程图

4 结 语

采用先进的 DDS AD9854技术和 MSP430 单片机技术相结合的方法，配合 AD公司和 TI 公司几种不同的新型集成电路，完成了系统设计，实现了一个简易的频率特性测试仪。系统具有良好的人机接口，操作非常方便，供电可选性大大增强，整机也便于携带。其扫频初始频率及步进值能通过矩阵键盘进行设置，灵活性较好，适合高等学校等的电子技术、电子测量等课程的教学实验应用，系统设计形成的硬件电路模块和软件程序也可用于学生的电子设计训练。

参考文献

[1] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].6版.北京：国防工业出版社，2006.

[2] 邱关源，罗先觉.电路[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[3] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[4] 黄清泉.基于快速广义互相关时延算法的深度测量技术[J].四川兵工学报，2009（12）：89?91.

[5] 沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[6] 叶朝锋，崔爱英，袁燕岭，等.数字式电路系统频率特性分析仪的研制[J].清华大学学报：自然科学版，2011，51（12）：1792?1795.

[7] 赛尔吉欧・佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安：西安交通大学出版社，2009.

[8] 赵柏树，操长茂.数字式频率特性测试仪的设计[J].电子技术应用，2001（1）：38?40.