频率特性测试仪
频率特性测试仪
摘要：本系统以FPGA及DDS发生芯片AD9851为核心，通过对AD9851模块的控制产生系统所需的100—100KHZ的正弦扫频信号，通过AD637检测信号的有效值，并利用MSP430中自带的A/D芯片对有效值进行采集，从而获得波形幅频特性数据；通过将输入输出信号进行过零比较整形为方波后，进行相与，计数等操作得到相位差的占空比从而得到相频特性数据；使用双口RAM存储幅频和相频特性数据，最后通过LCD将所得的数据绘制成稳定的波形图。 关键字：DDS、幅频特性、相频特性
一、系统方案 ................................................................................................................................... 1
1、方案论证与选择 ................................................................................................................. 1
1.1扫频信号发生 ............................................................................................................. 1 1.2幅频特性测量 ............................................................................................................. 1 1.3相频特性测量 ............................................................................................................. 1 1.4被测网络 ..................................................................................................................... 2 2、系统总体方案设计 ............................................................................................................. 2 二、系统主要功能电路计算、分析及设计 ................................................................................... 3
1.双T被测网络 ........................................................................................................................ 3 2.有效值检测 ............................................................................................................................ 3 3.过零比较 ................................................................................................................................ 4 4.其它........................................................................................................................................ 5 三、系统软件总图 ........................................................................................................................... 5 四、系统测试 ................................................................................................................................... 6 五、结论........................................................................................................................................... 6 六、参考文献 ................................................................................................................................... 6
一、系统方案
1、方案论证与选择 1.1扫频信号发生
方案一：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。
方案二：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。 方案三：使用集成DDS芯片AD9851模块实现扫频波形发生，操作简单，频率精度与范围都可达到较高，波形稳定度高。 综上，我们采用方案三。
1.2幅频特性测量
在此系统中，幅频特性测量的重点在于波形幅度的测量上，而幅度测量的有以下几种方案：
方案一：二极管峰值检测法。通过对输入信号的峰值进行提取，将电路输出值一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。此方案实现简单，但是最大的缺陷是由于受检波管影响，对小幅度峰值检测误差较大。在具体实现中可以通过电压补偿，将信号幅度进行调整到适当范围等方法以减少一定误差，而且电路成本较低。
方案二：使用高速A/D采样，通过采样值获得峰值。此方案精度很高，但是由于需要较高的采样频率，高频干扰无法彻底消除，给峰值获取带来很大难度，制作调试相对复杂。
方案三：使用精度和速度都比较高的有效值检测器件（如AD637），通过有效值来计算幅度响应。此方案外围电路简单易于调试，精度也较高。 综上考虑，我们采用了方案三。
1.3相频特性测量
方案一：使用鉴相器，将相位差转换为电压值测量。由于受到鉴相器的性能限制，此方案精度不太高。
方案二：相位差可以通过占空比进行测试，但正弦波占空比不易测量，因此需先将正弦波通过过零比较整形为方波。再由如下图所示原理将通过被测网络前的
方波信号f1和通过被测网络后的信号f2相与，从而得到两者的相位差A，再将A和高频脉冲B相与得到C，对C进行多周期计数来求得每个周期中高电平占空比，即可得到相差。
图1-1
综上考虑，方案二的测量精度高，我们采用了方案二。
1.4被测网络
方案一：采用无源阻容双T网络。通过理论设计与实际验证发现带宽无法满足系统设计所需。 方案二：采用有源阻容双T网络。在中心频率和带宽上都很好的满足了系统所需，为此，我们采用了此方案。
2、系统总体方案设计
根据以上的方案分析，我们的总体方案如下图所示：
图1-2
其中核心的FPGA主要通过对波形逻辑运算及计数来实现对相位的精准测量，单片机MSP430利用内部A/D转换芯片对所测得的有效值进行采集计算。计算所得的数据经校准后在键盘控制下通过LCD液晶显示器分别显示幅频特性、相频特性等。
二、系统主要功能电路计算、分析及设计
1.双T被测网络
我们采用了有源双T网络，在此网络中中心频率为fo=1/2RC，电路Q值为
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Q=1/4(1-K),频率特性方程为H(w)=( w0-w2)/[w0+j4w0w(1-K)-w2]，通过改
变两个电阻的阻值可以实现对K和Q的值的改变。由于系统要求的中心频率为fo=5KHz，带宽为50HZ。将此要求带入上面公式即可得到个参数。 双T网络的电路图及对应幅频特性图、相频特性图如下所示：
图
2-1
图2-2幅频特性 图2-3相频特性
2.有效值检测
该模块采用的是AD637。AD637是一块高精度单片TRMS／DC转换器，可以计算各种复杂波形的真有效值。采用了峰值系数补偿，在测量峰值系数高达10的信号时附加误差仅为1% 。频带宽度在2V输入时可达8MHz。由于AD637芯片可以对输入的正弦信号峰值直接计算并输出其有效值，因此可以采用该芯片实现信号的峰值检测。其电路实现如下图所示：
图2-4 3.过零比较
模块采用LM356和LM311芯片来实现波形由正弦波到方波的转换。在该实验中，需要用到两个该模块，第一个是用于直接将测试信号转化为方波信号，第二个是将通过双T 网络后的正弦信号转化为方波信号，此时的信号由于经过了双T网络，因此相对原信号已经产生了相位的移动，将此两路方波信号相与可以得到一占空比较小的方波信号，将此方波信号与基准方波进行与操作，得到一系列的高频窄脉冲序列。在FPGA中同时对该脉冲序列以及基准源脉冲序列进行计数，得到同一时间内的计数个数经过计算即可得到相位差，然后将此相位特性数据送到单片机。其中，LM311的2、3脚处的100pF电容可以有效地去除振荡。电路如下图所示：
图2-5被测网络前
图2-6被测网络后
4.其它
由于AD9851输出的波形存在直流偏置且波形不够纯净。为此我们在AD9851
波形发生模块后加入一个滤波缓冲小模块，再将滤波后的波形送入后面的处理模块，已达到波形纯净的目的。同时，在两路过零比较前分别加上一个截止频率在500HZ以下的高通滤波，起到滤波与隔直流的作用，其中电容为多个数量级电容并联效果更佳。
图2-7
三、系统软件总图
四、系统测试
通过如下的测试结果，我们可以清晰的看到被测网络的幅频特性与相频特性大致走向，进一步验证了我们系统的正确性。
五、结论
本系统在设计与完成过程中对各种问题的解决都做的不错，其中对几个问题的解决过程对我们以后的设计有很大启示：
1. 电源中杂波的引入会导致系统的振荡与所需信号的不稳定，电源波纹的抑
制显得尤为重要，可以通过对电源滤波达到较好的解决。 2. AD637采集转换的速率比较慢，对系统的其他部件有一定的影响，需考虑。
这点使我们认识到要从全局来规划整个系统中的每个部件。
3. 相频测量处理过程中编写的FPGA计数器功能不正常，通过分析发现是
FPGA内部布线时序混乱所造成。今后在FPGA实现功能块时需注意它的这一特点，可以通过适当的添加非门来延时调整时序。
六、参考文献
【1】全国大学生电子设计竞赛TI优秀作品精选集，2009/12/8
【2】谢自美.电子线路设计.实验.测试.武汉：华中科技大学出版社，2006 【3】康华光.电子技术基础（模拟部分）.北京：高等教育出版社，2006 【4】黄根春等.电子设计教程.北京：电子工业出版社，2007
【5】夏宇闻.Verilog数字系统设计教程.北京：航空航天大学出版社，2008