全國大學生電子設計競賽E題：簡易頻率特性測試儀

1、2013 年全國大學生電子設計競賽簡易頻率特簡易頻率特性測試儀（性測試儀（E 題）題）【本科組本科組】2013 年年9 月月 7 日日簡易頻率特性測試儀摘要摘要：本系統(tǒng)以 STM32 控制器為核心，采用 DDS芯片 AD9854 產(chǎn)生穩(wěn)定的正交信號源，通過正交調(diào)制的方式完成對被測網(wǎng)絡的幅頻和相頻特性測量，能夠?qū)崿F(xiàn)對被測網(wǎng)絡的點頻和線性掃頻測量，并采用彩色液晶進行數(shù)字化的圖形顯示。測試結果表明，本設計能夠?qū)崿F(xiàn)在 1M40MHz頻率范圍內(nèi)，對被測網(wǎng)絡頻率特性的測試，正確顯示其中心頻率和3dB 帶寬，并且能夠任意設置掃頻步進和掃頻范圍，實現(xiàn)頻率的粗掃描和精細掃描，其幅度絕對優(yōu)于，相位精度優(yōu)于 5 度

2、。關鍵字：關鍵字：正交調(diào)制、頻率特性、DDS目錄目錄1 方案論證方案論證.11.1 掃頻信號源.11.2 特性曲線顯示.12 理論分析理論分析與計算與計算.12.1 系統(tǒng)原理.1 DDS 參數(shù)設計.22.3 低通濾波器設計.2 ADC 設計.22.5 被測網(wǎng)絡設計.22.6 特性曲線顯示.33 電路與程電路與程序設計序設計.33.1 DDS 電路設計.33.2 乘法器電路設計.33.3 濾波器設計.43.4 程序設計.44 測試方案測試方案與測試結果與測試結果.54.1 測試儀器.54.2 測試方案.54.2.1 正交信號源的測試.54.2.2 發(fā)揮部分的測試.54.3 測試結果.55 總結總

3、結.6參考文獻參考文獻.6一、方案論證一、方案論證 掃頻信號源掃頻信號源 題目要求采用零中頻正交解調(diào)方案完成頻率特性測試，需要在1M40MHz頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦信號。要求在整個頻率范圍內(nèi)具有很好的平坦度、穩(wěn)定度和正交性的掃頻信號源的這些指標是整個掃頻儀的關鍵。 方案一：采用可編程方案一：采用可編程器件產(chǎn)生掃器件產(chǎn)生掃頻信號頻信號 利用可編程器件實現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成(DDS)，采用這種純數(shù)字化的方法，產(chǎn)生信號的頻率準確，頻率分辨率高產(chǎn)生正交信號源，但需要外接DAC 和濾波電路，難以在題目要求的頻帶內(nèi)做到完全正交。 方案二：采用專用的方案二：采用專用的DDS 集成集成芯片芯片專用的集成D

4、DS 芯片具有外圍器件很少，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實現(xiàn)程控的特點，根據(jù)題目要求選用 AD公司生產(chǎn)的一款 DDS芯片 AD9854，它的最高時鐘為 300MHz，具有相對帶寬寬，轉(zhuǎn)換時間極短、頻率分辨率高、功耗低等優(yōu)點。因此，我們選擇 DDS 芯片AD9854來產(chǎn)生 1MHZ40MHZ的正弦波。1.2 特性曲線顯特性曲線顯示示本題具有點頻和掃頻曲線顯示功能，為能夠正確穩(wěn)定的顯示待測網(wǎng)絡的頻率特性，可以采用模擬和數(shù)字方式顯示。 方案一：模擬顯示方案一：模擬顯示根據(jù)示波器顯示曲線的原理，采用-方式顯示，即在 Y 軸上加曲線信息，并根據(jù)在示波器屏幕上的位置要求，疊加直流電平。同時，X軸加鋸

5、齒波掃描，鋸齒波的掃描遞增速度與 Y軸的信息同步，即 Y 軸每來一信息，X軸鋸齒波遞增。其好處是不需要進行數(shù)字處理。方案一：數(shù)字液晶屏方案一：數(shù)字液晶屏顯示顯示直接采用數(shù)字化采用低頻的 I，Q 信號，通過編程完成幅頻和相頻特性的計算，采用點陣式的圖像彩色液晶屏實時顯示，可以通過編程完全掃描范圍，步進可調(diào)的縮放功能，數(shù)字化顯示中心頻率和3dB 帶寬。我們選擇更方便靈活的數(shù)字化處理和液晶屏顯示點頻和掃頻顯示測量結果。二、理論分析與二、理論分析與計算計算2.1 系統(tǒng)原理系統(tǒng)原理 系統(tǒng)整體框圖如圖 1 所示，由掃頻源提供正交的信號源，其中一路經(jīng)過被測網(wǎng)絡，再與乘法器相乘后，經(jīng)過低通濾波，濾除高頻分量，

6、分別得到低通的 I，Q信號如式（1)、(2）所示。由式(3)、(4)式可得到被測網(wǎng)絡的幅度特性和相頻特性。圖 1 系統(tǒng)原理框圖正交掃頻信號源被測網(wǎng)絡低通ADCADC低通測量顯示 AcostAsintIQ （1）2( )cos() |( )|cos( )1|( )|cos( ( )2vvI tLPF AtA wAtA w A （2）( ) sin() |( )|cos( )12|( )|sin( ( )2Q tLFP AtAv wAtAw Av （3）22|vAIQ （4）tan()QarcI2.2 DDS 參數(shù)參數(shù)設計設計 題目要求輸出電壓峰峰值大于等于1V，輸出高頻率為 40MHz。在計算取

7、值時，設定AD9854 的參考電阻為 3.9K，使其最大輸出電流為 10mA，此時輸出電阻 51，DDS 輸出峰峰值為 510mV，在經(jīng)過電流反饋型寬放THS3095 的兩倍放大，使其輸出峰峰值大于 1V 滿足題目要求。DDS 的時鐘為 256MHz，輸出為 40MHz 的正弦波不是很平滑，會影響精度，所以需要低通濾波，其截至頻率在 100MHz。2.3 低通濾波低通濾波器設計器設計 低通濾波器濾掉正交調(diào)制中的頻率為 2 的和頻信號，而頻率范圍，140MHzfMHz掃頻時間為Tc，一共掃描 N個頻點，每個頻點的時間為 Tc/N，選取 5 倍時間常數(shù)，則低通濾波器截止頻率為 fc 由式(5)決定

8、。 (5)5NfcTc 本設計中掃頻步進取 100KHz，,Tc=2s 則 N=390，則 fc=975Hz，為保140MHzfMHz證余量，本電路 2.4 ADC 設計設計 I、Q 通道平衡通道平衡對測量儀的精度至關重要，為保證正交平衡，DDS 后的放大和濾波電路保證完全相同的電路，參數(shù)元件一直，PCB 走線一致，由于掃頻時間 2S,步進為 100K,整個頻率范圍內(nèi)需要 391 個頻點，對采用速率要求不高，我們選用 STM32 的片內(nèi) AD，使用能夠輕松達到12bit 的精度，滿足系統(tǒng)幅度 0.5dB 波動的測量要求。2.5 被測網(wǎng)絡設被測網(wǎng)絡設計計 被測網(wǎng)絡為LC 串聯(lián)諧振網(wǎng)絡，中心頻率，

9、有載品質(zhì)因素，為020fMHz4Q f5MHz，L采用色碼電感，其自身 QL值遠大于有載品質(zhì)因素，故電感自身損耗可忽略。Q，由式(6)(7)可得電感和電容的取值。100iOrRR (6)4003.18606.28 20 10QrLuH (7)112060400 6.28 20 10CpFQr 取, 調(diào)節(jié)，使得滿足要求，仿真得其頻率特性如圖2 所示。3.3LuH(030)CpF圖 2 RLC 諧振網(wǎng)絡頻率特性2.6 特性曲線顯特性曲線顯示示 題目要求顯示網(wǎng)絡的幅頻和相頻特性，我們采用 320240 的彩色液晶屏進行顯示，采用 200200 的像素同時顯示幅度和相位曲線，其中幅度采用 dB 顯示，

10、測量中，系統(tǒng)先進行短路校正，然后進行掃頻范圍內(nèi)各頻點的 0dB 幅度校正，每個頻點測量 30 次取平均值，再由式(3)(4)進行幅度和相位計算，然后進行校正，并完成相頻的相位模糊糾正。同時為能夠完成頻率范圍和步進的動態(tài)調(diào)整，以完成高精度局部掃頻，由于我們的液晶屏像素不夠，需要對掃頻信號的顯示進行線性壓縮和放大，以完整光滑的顯示曲線。三、電路與程序三、電路與程序設計設計 3.1 DDS 電路電路設計設計 根據(jù)題目我們選擇了 DDS 芯片 AD9854，經(jīng)過認真閱讀 PDF 數(shù)據(jù)手冊，以及多方面查詢資料，設計了如下電路,見圖 3。在 AD9854 輸出參考手冊經(jīng)典應用電路，對輸出信號進行濾波，使得

11、變得正弦波變得更加平滑，濾波之后再把輸出峰峰值為 512mV 的信號放大 2 倍到1.24V。D71D62D53D44D35D26D17D08DVDD9DVDD10DGND11DGND12NC13A514A415A316A217A1/SDO18A0/SDIO19UD CLK20WR/SCLK21RD/CSB22DVDD23DVDD24DVDD25DGND26DGND27DGND28FSK/BPSK/HOLD29SHAPED KEYING30AVDD31AVDD32AGND33AGND34NC35VOUT36AVDD37AVDD38AGND39AGND40AGND41VINP42VINN43AV

12、DD44AGND45AGND46AGND47IOUT148IOUTB49AVDD50IOUTB51IOUT152AGND53AVDD54DACBP55DAC Rset56NC57NC58AGND59AVDD60PLL FILLTER61AGND62NC63DIFF CLK ENA64AVDD65AGND66AGND67REFCLKB68REFCLK69S/P SELECT70MASTER RESET71DGND72DVDD73DVDD74DGND75DGND76DGND77DGND78DVDD79DVDD80U4AD9854DVDDD0D1D2D3D4D5D6D7UDCLKADDR0ADDR1

13、ADDR2ADDR3ADDR4ADDR5WRRDDVDDAVDDAVDDFDATAOSKAVDDAVDDAVDDAVDDC50.1UAVDDDVDDDVDDRESETGNDGNDAVDDC10.01UAVDDDVDDVCC1CLKOUT2GND3GND4CY1CRY2DVDD1.3KR124R224R351R451R5P2I_OUTP1Q_OUTGND3.9KR62.2pFC11182nHL11168nHL11268nHL11312pFC1128.2pFC11327pFC11447pFC11539pFC11622pFC117GNDGNDGNDGND2.2pFC12182nHL12168nHL1

14、2268nHL12312pFC1228.2pFC12327pFC12447pFC12539pFC12622pFC127GNDGNDGNDGND85234671U11THS3095+5-51.2KR71.2KR8GNDOUT1OUT185234671U12THS3095+5-51.2KR91.2KR10GNDOUT2OUT2圖 3 DDS 硬件電路3.2 乘法器電乘法器電路設計路設計要求輸入信號的頻率為1MHz40MHz，因此選用的乘法器帶寬必須大于 40MHz，因此我們選用 ADI 公司的 AD835 乘法器，其帶寬為 250MHz，滿足題目要求。其輸出信號表達式為 W=X*Y+Z，Z 為直流

15、電壓，用于系統(tǒng)調(diào)零。通過調(diào)節(jié) R4 的阻值可使乘法器得到 0-2.5V 的偏置電壓。由于乘法器容易受到干擾，必須做好電源的退耦。其原理圖如圖 4 所示。圖 4 乘法器電路 3.3 濾波器設計濾波器設計采用二階 RC 低通濾波器，其截至頻率為 10kHz。由于前級乘法器的輸出電壓較小，最大輸出電壓為 50mV ，末級加一增益為 16 倍的直流放大器，后送入 ADC 前級處理電路。其電路圖如圖 5 所示。圖 5 濾波器電路3.4 程序設計程序設計系統(tǒng)開機后進入初始化狀態(tài)，初始化后進入功能選擇界面，根據(jù)不同的按鍵狀態(tài)進入相應的工作模式，主程序流程如圖 6 所示。開始界面信號源測試電平校正0dB校正點

16、頻測量掃頻測量結束功能選擇初始化 圖 6 軟件流程圖四、測試方案與四、測試方案與測試結果測試結果 4.1 測試儀器測試儀器泰克 TDS示波器安泰信 APS3003S-3D 直流穩(wěn)壓電源 泰克 DMM4020 五位半數(shù)字萬用表 CNT-90 頻率計 秒表 超高頻毫伏表 DA22A 4.2 測試方案測試方案4.2.1 正交信號正交信號源的測試源的測試頻率測量：頻率測量：單片機控制DDS 產(chǎn)生兩路正交點屏信號，用頻率計分別測量各個頻點的頻率穩(wěn)定度，記錄實驗數(shù)據(jù)。相位測量：相位測量：單片機控制DDS 產(chǎn)生兩路正交點屏信號，用頻率計測量兩路信號的相位差，記錄實驗數(shù)據(jù)。幅度測量：幅度測量：用示波器測量不同

17、頻率下信號的幅度，記錄實驗數(shù)據(jù)，并計算帶內(nèi)平坦度。掃頻信號測掃頻信號測量：量：根據(jù)屏幕反饋回的信息，設定信號源的掃頻范圍及頻率步進值，用示波器測量掃頻輸出信號，并記錄掃頻時間。記錄實驗數(shù)據(jù)。4.2.2 發(fā)揮部分發(fā)揮部分的測試的測試輸入輸出阻輸入輸出阻抗測量：抗測量：輸入阻抗測量：信號源輸出一直流電壓，并用數(shù)字萬用表測量器輸出電壓，后串聯(lián)1U一已知電阻，接入到頻率特性測量儀的輸入端，測量輸入端直流電壓，重復上述0R1V操作一次可得另一組電壓,根據(jù)電阻分壓原理，可求得系統(tǒng)的輸入阻抗為：22UV, 。/x2 11 2RV UV U輸出阻抗測量：示波器測量空載時的輸出電壓幅值，之后接一 50 歐姆的電

18、阻并測量1V輸出電壓幅值，則輸出阻抗為：。2V12100/xRVV點頻測量：點頻測量：設定信號輸出頻率，并用示波器觀察兩路信號的幅度及相位，記錄實驗數(shù)據(jù)。RLC 網(wǎng)絡網(wǎng)絡測試：測試：單獨測試 RLC 網(wǎng)絡，接入 50 歐負載，將其接入掃頻儀，觀測中心頻率 及有載品質(zhì)因數(shù)，記錄實驗數(shù)據(jù)。 4.3 測試結果測試結果4.3.1 基本要求基本要求測試測試表 1 基本功能測試結果頻率/MHz125102025303540頻率穩(wěn)定度10-610-610-610-610-610-610-610-610-6相位差/899290909089918890峰峰值/測試結果分析：頻率穩(wěn)定度遠遠滿足題目中要求的10-4，最大相位差不差過 5，滿足題目要求，輸出信號幅度平坦度滿足題目要求的 5%誤差，實測完成一次掃頻時間小于 2s。完成了所有的基本部分功能。 4.3.2 發(fā)揮部分發(fā)揮部分測試測試輸入輸出阻輸入輸出阻抗抗：實際測量該系統(tǒng)的輸出阻抗為 50，輸入阻抗為50。點頻測量：點頻測量：實測幅頻特性及相頻特性如下表 3所示.表 3 幅頻相頻特性測試結果頻率/MHz125102025303540幅度/dB-49-47-31-34-48-50-51-