頻率特性測試儀

1、頻率特性測試儀摘要：本實驗以DDSE片AD9851為信號發(fā)生器，以單片機MSP430F449 為核心控制芯片，以FPG的輔助，加之于外圍電路來實現(xiàn)幅頻及相 頻的檢測。系統(tǒng)由6信模塊組成：正弦掃頻信號模塊，待測阻容雙 T 網(wǎng)絡(luò)模塊，整形模塊，幅值檢測模塊，相位檢測模塊，及顯示模塊。先以單片機送給AD9851控制字產(chǎn)生100H 100KHz的掃頻信號，經(jīng)過阻容雙T網(wǎng)絡(luò)檢測電路，一路信號通過真有效值 AD637JP寸有效值 進(jìn)行采集后進(jìn)入單片機進(jìn)行幅值轉(zhuǎn)換，另一路信號由整形電路整形后 進(jìn)入FPGAS行相位檢測及頻率檢測，最后由 LCD顯示輸出，最終來 完成幅頻及相頻的簡單測試。關(guān)鍵字：AD9851

2、MSP430F449、FPGA、阻容雙 T 網(wǎng)絡(luò)、AD637LM311比較器、液晶12864目錄一、方案方案論證與選擇 3.1 .掃描信號產(chǎn)生方案3.1.1 數(shù)字直接頻率合成技術(shù)(DDFS)31.2 程控鎖相環(huán)頻率合成3.1.3 數(shù)字頻率發(fā)生器(DDS) AD9851產(chǎn)生 32 . 相位檢測方案4.2.1 A/D采樣查找最值法4.2.2 FPGA 鑒相法4.3 .幅值檢測方案 5.3.1 峰值檢波法 5.3.2 真有效值芯片 AD637檢測法.6二、系統(tǒng)總體設(shè)計文案及實現(xiàn)方框圖7.三、雙T網(wǎng)絡(luò)的原理分析及計算 7.1、雙T網(wǎng)絡(luò)的原理7.2、雙T網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計9.四、主要功能模塊電路設(shè)計 1.11、

3、AD9851正弦信號發(fā)生器1.12、減法電路及射極跟隨器 123整形電路134 真有效值檢測 13五、系統(tǒng)軟件設(shè)計 14六、測試數(shù)據(jù)與分析1.5七、總結(jié)分析與結(jié)論1.7參考文獻(xiàn)：17附錄：1.7、方案方案論證與選擇1 .掃描信號產(chǎn)生方案1.1 數(shù)字直接頻率合成技術(shù)（DDFS）方案一：采用數(shù)字直接頻率合成技術(shù)（DDFS）。以單片機和FPGA為控制核 心，利用FPGA中的N位地址存儲相應(yīng)的正弦表值，通過改變頻率控制字K,尋址相位累加器的波形存儲器的數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生所需頻率的正弦信號fout=fin *K/2No 該方案頻率比較穩(wěn)定，抗干擾能力強，但程序?qū)崿F(xiàn)會有一定的繁瑣性，并且會占 用FPGA資源。1

4、.2 程控鎖相環(huán)頻率合成方案二：采用程控鎖相環(huán)頻率合成方案。鎖相環(huán)頻率合成是將高穩(wěn)定度和高 精確度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過加減乘除的運算產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻 率，在一定程度上解決了既要頻率穩(wěn)定精確、又要頻率在較大范圍可變的矛盾， 能產(chǎn)生方波，通過積分電路就可以得到同頻率的三角波， 再經(jīng)過濾波器就可以得 到正弦波，但采用了多次積分電路，這種具有惰性特性的電路誤差大且不能滿足 相頻曲線和幅頻曲線的輸出要求，功能擴展能力有限。1.3 數(shù)字頻率發(fā)生器（DDS） AD9851產(chǎn)生方案三：采用DDS芯片AD9851。根據(jù)題目要求，結(jié)合性價比，我們選用 AD9851 0AD9851是AD公司采用先進(jìn)的D

5、DS技術(shù)生產(chǎn)的具有高級集成度的 DDS 器件,它的最高工作時鐘為180MHz,正常輸出工作頻率范圍為072MH z, 精度可達(dá)0.04Hz,它還具有調(diào)頻和調(diào)相功能，通過單片機的適當(dāng)控制便可產(chǎn) 生高帶寬的正弦波信號。該方案產(chǎn)生的信號頻率穩(wěn)定度較好，操作簡易，但抗干 擾性有一定的的不足。綜上論證比較：與DDFS及鎖相環(huán)頻率合成相比，采用 DDS芯片合成正弦 信號的頻率建立與切換簡單，頻率單一，頻率覆蓋范圍廣，精度高，可控性強， 功能擴展能力大。故采用方案三。2 .相位檢測方案2.1 A/D采樣查找最值法方案一：A/D采樣法查找最值法。采用兩片高速 A/D轉(zhuǎn)換器同時對輸入的兩 路信號進(jìn)行等時間問隔采

6、樣并將其分別存儲，然后對所測信號的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。用單片機掃描存儲在RAMfr的波形數(shù)據(jù)，查找出兩部分?jǐn)?shù)據(jù)的最大值或最小 值，計算出兩片A/D轉(zhuǎn)換器采集兩部分波形數(shù)據(jù)的最大值或最小值的時間問隔， 則信號的相位差可由下式得到： x=(Tx/T0)*360 0其中，Tx為兩路信號相臨最值的時間問隔，T0為信號周期。這種方案需要用軟 件對大量的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能達(dá)到較高的精確度 ，且采集時間間隔難以精確 控制。2.2 FPGA鑒相法方案二：FPGAI相法?；贔PG微字邏輯處理功能。將待測網(wǎng)絡(luò)的正弦信號輸 入和輸出端分別通過一個過零比較器，對兩路線輸出方波信號進(jìn)行“異或”操作, 所得脈沖的寬度可

7、反映相位差的大小，這就將對信號相位差測量轉(zhuǎn)化成對脈沖的占空比的測量。分別測量脈沖高電位時間內(nèi)與原方波周期內(nèi)的基準(zhǔn)源脈沖數(shù)Nh與N。則信號相位差為:0)x= (Ni/Nt) *360°這種方案以主控芯片的時鐘信號作為計數(shù)脈沖， 但原方波信號及脈沖信號都 要是單個不長的時間單位，其數(shù)值相對較小，故存在誤差。當(dāng)待測信號頻率較高 時誤差會更大。方案三：考慮方案二中誤差的主要來源，測量中采用多周期同步計數(shù)法，此方案 基于方案二，對輸入信號周期進(jìn)行填充式脈沖計數(shù)。其原理為：用FPGA產(chǎn)生一 個門寬為1秒閘門信號，將FPGA的40MHz時鐘頻率5倍頻為200MHZ ,用閘 門信號與倍頻時鐘脈沖“相

8、與”送入計數(shù)器 1,進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)值為 N1。將同 步閘門信號、鑒相脈沖和時鐘脈沖三者“相與”后送入記數(shù)器 2,進(jìn)行記數(shù)，計 數(shù)值為N2,則相位差為：8= (N2/N1 ) *360°。此方法缺陷來自于所其的閘門 信號寬度并非整個原信號周期，這樣會帶來一定的誤差，但其實這種誤差在允許 范圍內(nèi)是可以忽略的?？傮w上在測量高頻率時更精確。綜上采用此方案。原信號 _n_rm_rL_r"LrL 瞥LnJ-LFLTLnJT聞口信 IL沖瀘酥 nBUMimMW -N1 一皿111皿皿皿1陽川11皿理 up波形圖3 .幅值檢測方案3.1 峰值檢波法方案一：峰值檢波法。用二極管電路和電壓跟隨

9、器組成的峰值檢波電路，其原理為：當(dāng)輸入電壓正半周通過時，檢波管導(dǎo)通，對電容 C充電。適當(dāng)選擇電容值， 使得電容放電速度大于充電速度， 這樣，電容兩端的電壓可以保持在最大電壓處 從而實現(xiàn)峰值檢波。二極管D2用于補償D1的導(dǎo)通壓降，提高測量精度。為隔 離后級，增加由運算放大器構(gòu)成的射極跟隨器。圖3-1峰值檢波電路此電路能夠檢測的信號頻率范圍很寬，被測信號頻率低時檢波的紋波較大， 通過增加小電容和大電容并聯(lián)構(gòu)成的電容池可以濾除紋波，但二極管的管壓降必然會帶來一定誤差。如果此電路中的二極管使用高頻二極管， 就可大大提高測量 范圍的頻率上限，但是此電路只適合于測量中高頻率段的信號。3.2 真有效彳1芯片

10、AD637檢測法方案二.采用真有效值芯片 AD637所謂“真正有效值”亦稱真均方根值。交流電壓有效值定義為VRm= (J) 1/2借助TRMS/DC專換器對輸入電壓進(jìn)行“平方-取平均值-開平方”運算，就能獲得交流電壓的有效值。在輸入有效值為1V時1%K差的帶寬可達(dá)到200KHz綜合論證：峰值檢波法在低幅度、過低或過高頻時誤差較大，而應(yīng)用集成真 有效值檢測芯片AD637進(jìn)行有效值檢波具有準(zhǔn)確度高，測量面廣，顯示直觀的優(yōu) 點，故米用方案二。二、系統(tǒng)總體設(shè)計文案及實現(xiàn)方框圖經(jīng)過以上分析論證，系統(tǒng)總體流程圖如下：信號發(fā)生器AD9851模塊射 隨相頻測量模塊整形電路2.1系統(tǒng)總體框圖FPGA線做測量模塊

11、首先由單片機控制AD9851產(chǎn)生相應(yīng)頻率的正弦波（峰峰值穩(wěn)定在 1.68V, 最小值0V）,此小信號進(jìn)入雙T網(wǎng)絡(luò)后會有較大的衰減，為了減小后級整形及有 效值檢測的穩(wěn)定性，用減法器將此信號的平均值降到0V。在前級與雙T網(wǎng)級聯(lián)中，為了減小雙T網(wǎng)絡(luò)所受的干擾，在雙T網(wǎng)絡(luò)之前加一級射極跟隨器。由于雙 T網(wǎng)絡(luò)在中心頻率左右幅度衰減很大，而此小信號進(jìn)入AD637進(jìn)行有效值檢測會 有較大的誤差，因而加一級低倍數(shù)的放大電路（12倍）。信號進(jìn)入FPGAt理 后直接進(jìn)入MSP430勺內(nèi)部高速A/D轉(zhuǎn)換輸出顯示輸出。三、雙T網(wǎng)絡(luò)的原理分析及計算1、雙T網(wǎng)絡(luò)的原理雙T網(wǎng)絡(luò)是屬于帶阻濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖 3-1所示。對雙

12、T網(wǎng)絡(luò)的要求是 對某一頻率信號的輸入，該電路發(fā)生諧振而不能通過，而對其他頻率信號的輸入， 則基本上可以通過，但在幅值上有所衰減。采用阻抗星形三角形變換法，可以證明雙T網(wǎng)絡(luò)可等效為一個簡單的 n型網(wǎng)絡(luò)，如圖3-2所示圖3-1 雙T網(wǎng)絡(luò)電路圖32Z>ss<圖3-2 雙T網(wǎng)絡(luò)等效電路圖其中/1 22- jZi2=-2j+(- j )2/(R/2)乙2 = 2R+ R2 /(9)wC wC2wC當(dāng)發(fā)生諧振時，諧振電壓不能通過，則 Z12 + Z12 = 0。2R+ j2wCR2- j wC七=0此時需實部和虛部為0,聯(lián)立兩式可得wCR=1,故中心頻率為f012：RC同理，可以證明其傳遞函數(shù)

13、為H (jw) = | H (jw) |ejf(jw)=21- (w/wo)LzC2-二；1- (w/wo) + j4(w/wo)可得幅頻特性為：|H(jw) =|1- (w/wo)2|-tan(/一 1 -( '/ 'o)2('/ '01)11- (w/wo)22+ j4(w/wo)22相頻特性為："j Du-tani1-0)7 / '0 ：二 1)1-( '/ '0)2由于題目要求設(shè)計雙T網(wǎng)絡(luò)的中心頻率f0 =1/2；rRC =5kHz,帶寬±50Hz _ § , 、 計算得出RC =3.18父10 ，并

14、在對數(shù)坐標(biāo)下回出該雙T網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線和相 頻特性曲線分別如圖3-3和圖3-4所示。109-A'A&AAA,a 4ii也J必如一 A,A.ZT-ITS -JR -7 « J-1-1-100 00LO.OOfc圖3-3 雙T網(wǎng)絡(luò)幅頻特性曲線9077 1弟分-1:； u弼空m -3- -小 一一-一達(dá)dR_ -i七.44.SL -LOQDO1900kI MM圖3-4 雙T網(wǎng)絡(luò)相頻特性曲線2、雙T網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計設(shè)計的雙T網(wǎng)絡(luò)如下： 'XFGl' '1, 1nF：；R2 ：LF356N：31.BkQ： VEE ：3 ：5F VtE>R3>02

15、00R5VDD圖3-5雙T網(wǎng)絡(luò)彎漉特圖示儀-KBPI考波特圖示儀TBP1國4.905 kHz-2Cr752d&+ |11-416 MHz0395 由圖3-6幅頻特性仿真圖（效果好）圖3-7相頻特性仿真圖(效果一般)元件選?。河捎陬}目的掃頻范圍要求帶寬較高，所以采用高帶寬、高輸入阻抗的 LF356芯片。另外實驗要求為阻容雙 T網(wǎng)絡(luò)，中心頻率 f0=5KHZ ,帶寬Bw=100HZ 。1 fcQ=50則計算如下：f0 = =50K Bw=fp2-fp10=100HZ2 二 RCQfpi < , (2-Aup)2 -(2-Aup)* fo =4950HZfp2 < . (2-Au

16、p)2 (2 -Ap)* f。=5050HZR4=0.99R3 R4C =1nF R =31. 18四、主要功能模塊電路設(shè)計1、AD9851正弦信號發(fā)生器AD9851模塊中晶振頻率40MHZ,進(jìn)入AD9851芯片后，在內(nèi)部3倍頻為 120MHZ,通過改變輸入控制字 K(D0-D7)來改變輸出正弦波頻率fo=k*fcik/2,其 中最小分辨率0.04HZ,頻率在30MHz以下時波形完美。并且輸出峰峰值1.66V, 平均值0.69V。n，4DACBLOJTRJUTHVM1VOUTPR5FTUIpwr OVDD AVDO AVDDDGMJi AGND AQNDBC GMDH-gndWCLKQUDRL

17、tSETCUC_M XdM5 1圖4-1 AD9851模塊電路2、減法電路及射極跟隨器圖4-2帶射隨的減法電路該電路可將AD9851輸入的正弦信號（峰峰值1.68V,最小值0V）調(diào)整到平 均值為0V,即去掉直流分量，這樣可以避免后放大電路對直流的放大而帶來的 不可預(yù)測的誤差。由高帶寬芯片 LF356組成的簡單射極跟隨器在消除 AD9851 信號源與后級雙T網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的干擾方面有顯著的效果。3整形電路- VDD VDU117VCCVCW>R2X.2K0VDDVEEVEELM311N圖4-3帶射隨的過零比較電路由于整形電路只是為測相位服務(wù)，那么直接采用過零比較器。但 LM311比 較電路要注意

18、上拉電阻的合理選擇， 否則輸出方波上升沿會夾雜高頻波紋， 其次 就是在輸入端加電阻時，電阻應(yīng)近管腳，且小于 10K （或更?。?真有效值檢測AD637的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括有源整流器（即絕對值電路）、平方/除法器、濾波放 大器、獨立的緩沖放大器（緩沖放大器既可以作為輸入緩沖用，也可以構(gòu)成有源 濾波器來濾除紋波，提高測量準(zhǔn)確度）、偏置電路五部分。AD637的標(biāo)準(zhǔn)雙極點 濾波電路如下圖所示。ESECTIONABSOLUTEVALUEeilFFEftAD63725kll =w=EnINPUT1? MC11 f *向11 *-ViFILTER?ait ；RMSOUTPUT圖4-4 AD637電路五、系統(tǒng)軟件

19、設(shè)計本系統(tǒng)以MSP43四主控芯片，來控制產(chǎn)生信號頻率以及對數(shù)據(jù)的采集、處 理、轉(zhuǎn)換、顯示，而FPGAR是輔助測量相位及頻率。單片機單片機軟件編程采用 C語言完成，集成環(huán)境采用IAR Embedded。在此單片機軟件設(shè)計按照“ 需要完成任務(wù)分析-界面功能設(shè)計-流程設(shè) 計-編寫代碼-調(diào)試”的順序完成。根據(jù)系統(tǒng)的整體設(shè)計，單片機部分在系統(tǒng)中的任務(wù)可歸結(jié)為以下幾個方面：a.控制DDST生掃頻信號，并且能獲得掃頻信號的頻率，以便頻率定標(biāo)。b.控制A/D采樣以實現(xiàn)幅值的檢測。c.接受FPGA專送的相位及頻率信息。c.處理掃頻頻率與采集到的有效值信號，相位信號，得到信號（頻率等） 參數(shù)，接受用戶鍵盤信息。d

20、.在LCD及示波器顯示參數(shù)和圖形。單片機軟件流程圖見附錄。六、測試數(shù)據(jù)與分析a）系統(tǒng)儀器PC機：Inspur浪潮YB1731A 3A直流穩(wěn)壓電源華誼MASTECH MS8265數(shù)字萬用表臺灣固緯Gwinstek GDS-1062 數(shù)字示波器MSP430F449 單片機Cyclone EP1CQC240-FULL FPGAb）阻容雙T網(wǎng)絡(luò)幅值及相位測試由于在5V的峰值時，雙T網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)較好，所以用5V輸入作為標(biāo)準(zhǔn)測量。 幅值測試表：VP-p(V)5vf in (kHZ)4.904.914.924.934.944.954.964.974.98VOut (V)4.944.944.944.934.273

21、.052.061.500.62f in (kHZ)5.005.015.025.035.045.055.065.075.08VOut (V)0.200.621.502.063.054.274.934.944.95相位測量表：（但無理論值作對照）fin (kHZ)4.004.104.204.304.404.504.604.704.80。（度）+1.66+1.76+3.24+3.54+3.94+4.59+5.67+7.34+11.54fin (kHZ)4.904.954.974.995.005.055.105.205.30。（度）+24.26+36.57+38.90+26.29+21.90-2.62

22、-8.32-6.73-4.76fin (kHZ)5.405.505.605.906.006.507.007.508.00。（度）-3.42-2.48-1.77-0.16-0.08+0.30+0.38+0.42+0.45由上面幅值測量表可得：該網(wǎng)絡(luò)在 5K時衰減的幅度最大，說明中心頻率確實在5K,但在4.95K與5.05K時，信號的幅度并沒有完全恢復(fù)到 5V,說明它的帶寬偏大。并且在5K時幅度衰減了 27.9dB,說明該網(wǎng)絡(luò)的Q可以達(dá)到要求。c） AD637M有效值測試有效值測試表：Vrm &、2M1M0.5M0.2M0.1M1K10050波形11.200.9870.9930.9971.001.011.011.01相當(dāng)穩(wěn)定20%1.7%0.7%0.3%01%1%1%22.182.002.002.012.012.032.032.03有少量紋波9%000.5%0.5%1.5%1.5%1.5%3.043.362.972.922.932.942.972.972.97后較大紋波10%2.3%3.9%3.9%3.2%2.3%2.3%2.3%由有效值測