簡易頻率特性測試儀

1、簡易頻率特性測試儀（ E 題）2013 年全國電子設(shè)計大賽摘要：本頻率特性測試儀由AD9854為DDS頻率合成器，MSP430為主控 制器，根據(jù)零中頻正交解調(diào)原理對被測網(wǎng)絡(luò)針對頻率特性進(jìn)行掃描測量， 將 DDS 輸出的正弦信號輸入被測網(wǎng)絡(luò)，將被測網(wǎng)絡(luò)的出口信號分別與 DDS 輸出的兩路 正交信號通過模擬乘法器進(jìn)行乘法混頻， 通過低通濾波器取得含有幅頻特性與相 頻特性的直流分量，由高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器傳遞給 MSP430 主控器，由 MSP430 對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理， 最終測得目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性與相頻特性， 同時通過 LCD 繪制相應(yīng)的特性曲線，從而完成對目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的特性測試。本系統(tǒng)具有低功

2、耗，成本低廉，控制方便，人機(jī)交互友好，工作性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，不失為簡易頻 率特性測試儀的一種優(yōu)越方案。關(guān)鍵字： DDS9854 ，MSP430 ，頻率特性測試目錄、設(shè)計目標(biāo) 31、基本要求： 42、發(fā)揮部分： 4、系統(tǒng)方案 4555566方案一 方案三 方案二 三、控制方法及顯示方案四、系統(tǒng)總體框圖 五、電路設(shè)計 1、DDS 模塊設(shè)計 2、DDS 輸出放大電路 73、RLC 被測網(wǎng)絡(luò) 84、乘法器電路 85、AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換 9六、軟件方案 10七、測試情況 111、測試儀器 112、 DDS 頻率合成輸出信號： 113、RLC 被測網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果 124、頻譜特性測試 12八、總結(jié) 12九、參考文

3、獻(xiàn) 12十、附錄 13、設(shè)計目標(biāo)根據(jù)零中頻正交解調(diào)原理， 設(shè)計并制作一個雙端口網(wǎng)絡(luò)頻率特性測試儀， 包 括幅頻特性和相頻特性。1、基本要求:制作一個正交掃頻信號源。(1) 頻率范圍為1MHz40MHz，頻率穩(wěn)定度10-4;頻率可設(shè)置，最小設(shè)置單 位100kHz。(2) 正交信號相位差誤差的絕對值 嶼o,幅度平衡誤差的絕對值5%。(3) 信號電壓的峰峰值 羽V，幅度平坦度5%。(4) 可掃頻輸出，掃頻范圍及頻率步進(jìn)值可設(shè)置，最小步進(jìn)100kHz ;要求連 續(xù)掃頻輸出，一次掃頻時間Ps。2、發(fā)揮部分:(1) 使用基本要求中完成的正交掃頻信號源，制作頻率特性測試儀。a. 輸入阻抗為50?，輸出阻抗為

4、50?;b. 可進(jìn)行點(diǎn)頻測量；幅頻測量誤差的絕對值 0.5dB相頻測量誤差的絕對值5o數(shù)據(jù)顯示的分辨率：電壓增益0.1dB，相移0.1o。(2) 制作一個RLC串聯(lián)諧振電路作為被測網(wǎng)絡(luò)，其中 Ri和Ro分別為頻率特 性測試儀的輸入阻抗和輸出阻抗；制作的頻率特性測試儀可對其進(jìn)行線性 掃頻測量。a. 要求被測網(wǎng)絡(luò)通帶中心頻率為 20MHz，誤差的絕對值 5%有載品質(zhì)因 數(shù)為4,誤差的絕對值5%有載最大電壓增益-1dB ;b. 掃頻測量制作的被測網(wǎng)絡(luò)，顯示其中心頻率和-3dB帶寬，頻率數(shù)據(jù)顯示 的分辨率為100kHz ;c. 掃頻測量并顯示幅頻特性曲線和相頻特性曲線，要求具有電壓增益、相移和頻率坐標(biāo)

5、刻度。幅頻特性曲線的縱坐標(biāo)為電壓增益(dB);相頻特性曲線 的縱坐標(biāo)為相移(o);特性曲線的橫坐標(biāo)均為線性頻率(Hz)。發(fā)揮部分中， 一次線性掃頻測量完成時間 30s(3) 其他。、系統(tǒng)方案方案-高速DA 輸出正交 信號測量顯AO轉(zhuǎn)換相位特性曲線DDS9854 控制輸出 正交信號方案二：.測星顯7T幅頻 相位特 性曲線FIRJ勒皇相乘FIR對宇相乘方案三：.DDS3854輸出正交曽號正弦信號*余弦信號高逋AD測量顯示 帖越相位 特性曲線圖1系統(tǒng)方案髙速A0髙速A0萬案一 方案一對DA的轉(zhuǎn)換速率要求過高，市售DA速率根本無法達(dá)到題目要求，對主 控芯片主頻及驅(qū)動時鐘頻率要求過高，而且成本較高，故放

6、棄方案一。方案二 方案三中雖然采用DDS9854做信號源，想法較好，通過數(shù)字處理可以得到更好 的結(jié)果，但考慮到信號最高頻率達(dá)到 40M，為保證奈奎斯特采樣定律，至少應(yīng) 使用80M采樣率的AD，考慮到高速AD價格不菲，所以不宜采用方案三。萬案一 綜合考慮，方案二成本較低，且效果較好，前期通過模擬電路處理，最后通過低 速AD送入單片機(jī)處理即可完成題目要求，整個方案保持低成本、低功耗，工作 性能穩(wěn)定，故選方案二。三、控制方法及顯示方案對DDS9854定性分析并設(shè)計外圍電路制作PCB板，可以實(shí)現(xiàn)峰峰值200400mV兩路正交信號輸出。為滿足輸出信號峰峰值在1V以上，我們采用THS3001高速運(yùn)放搭建寬

7、帶放大器連接在 9854輸出端，提供6.1倍增益。同時 為滿足正交信號相位誤差和幅度平衡誤差要求， 兩路寬帶放大器電路應(yīng)盡可能相 同。另外為滿足140MHz輸出信號幅度平坦度在5%以內(nèi)，寬帶放大器應(yīng)具有 盡可能平坦的通帶增益。利用 MSP430單片機(jī)對DDS9854進(jìn)行控制，并通過 12864液晶屏顯示菜單交互界面，滿足直接設(shè)置頻率、連續(xù)掃頻輸出、可調(diào)節(jié)步 進(jìn)輸出等題目要求功能。發(fā)揮部分中，設(shè)兩路正交信號分別為 Vi=Acos3t與V2=Asin w t且余弦信 號經(jīng)過待測網(wǎng)絡(luò)后變?yōu)?Vx=ABcos( w t+機(jī))計算可知：2 2ViVx=1_2A Bcos(2 w t+ © )+

8、2A Bcos2 2V2Vx=1_2A Bsin(2 w t+ -H2A Bsin ©因此，如果將相乘所得信號經(jīng)過低通濾波器濾出直流分量 l=1_2A2Bcos©和 Q=-1_2A2Bsin ©，則可以計算出 1_2A2B= V(I2+Q2), ©二arctan(Q/l)，由此可以得 出頻率f= w /2 T處待測網(wǎng)絡(luò)的幅頻與相頻響應(yīng)。在掃頻模式下，每隔 100KHZ記 錄下一個頻率點(diǎn)的響應(yīng)，即可繪出待測網(wǎng)絡(luò)的幅頻與相頻曲線。在實(shí)際設(shè)計中，我們先將余弦信號送入被測網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)輸出分為兩路，分別 與原正弦、余弦信號利用 AD835高速模擬乘法器相乘。將此時兩

9、路輸出信號各 自經(jīng)過低通濾波濾出直流分量。由于乘法器所得直流分量較小，約2050mV，因此我們在低通濾波器之后加入了由低失調(diào)電壓運(yùn)放OP27搭建的放大器，將直流信號放大到200500mV。此時信號需要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)進(jìn)行處理， 我們打算采用高精度AD TLC2543完成。由于TLC2543只支持單極性輸入，而 I與Q極性無法事先確定，所以我們在 AD轉(zhuǎn)換之前加入了由LM385電壓基準(zhǔn) 和AD817組成的加法器模塊提供2.5V偏置。數(shù)字信號送入單片機(jī)后，由單片 機(jī)分析數(shù)據(jù)得到直流信號中包含的頻率與相位信息，通過320 X 240分辨率的TFT彩屏分兩屏繪制出被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻相頻曲線。四、系統(tǒng)

10、總體框圖圖2系統(tǒng)總體框圖五、電路設(shè)計1、DDS模塊設(shè)計DDS模塊的設(shè)計是本系統(tǒng)的重點(diǎn)。DDS模塊主要是圍繞芯片AD9854進(jìn)行 設(shè)計的，設(shè)計要求既要滿足性能指標(biāo)，還要求優(yōu)化電路，減小電路面積，改進(jìn)布線布局，否則造成輸出不穩(wěn)將使得后續(xù)方案無法繼續(xù)進(jìn)行。下面先介紹AD9854 的基本特性。如圖所示，AD9854內(nèi)部包括一個具有48位相位累加器、一個可編程時鐘 倍頻器、一個反sine濾波器、兩個12位300MHz DAC，一個高速模擬比較器 以及接口邏輯電路。時鐘模式O參考時鐘輸入FSK/BPSK/HOL CD更新雙向寄存器.更新信號° ；法器程序寄存器逆sine濾波器波 形 存 儲器字

11、置 偏 位 相 位I f1八一20火參考頻 率倍頻 器頻 率 累 加 器數(shù)字乘法器頻率控制字，以及頻率控制邏輯相位累加器二1頻轉(zhuǎn)字I/O端口緩沖器址6'據(jù)1數(shù)線位總8 .串行/并行選擇mt模擬 信號 輸出度 幅 位21程序更新時鐘復(fù)位 源 地模擬 信號 輸岀比較 器輸入比較 器輸出圖3 AD9854功能結(jié)構(gòu)框圖其主要性能特點(diǎn)如下：1）高達(dá)300MHz的系統(tǒng)時鐘；2）能輸出一般調(diào)制信號，F(xiàn)SK, BPSK , PSK , CHIRP , AM等；3）100MHz時具有80dB的信噪比；4）內(nèi)部有4疼U 20 X的可編程時鐘倍頻器；兩個48位頻率控制字寄存器, 能夠?qū)崿F(xiàn)很高的頻率分辨率。兩

12、個14位相位偏置寄存器，提供初始相 位設(shè)置。5）帶有100MHz的8位并行數(shù)據(jù)傳輸口或10MHz的串行數(shù)據(jù)傳輸口。2、DDS輸出放大電路前端放大用寬帶放大器THS3001，放大6.1倍，為滿足輸入輸出端阻抗匹 配以及儀器輸出阻抗要求，需要在輸入、輸出端接入 50Q電阻，如圖所示，兩 路信號均進(jìn)入放大器。THS3001圖4 THS3001放大電路3、RLC被測網(wǎng)絡(luò)放大器輸出余弦信號分為兩路，一路進(jìn)入待測網(wǎng)絡(luò)，待測網(wǎng)絡(luò)如圖1 尺王0C*-TVYYV |_O圖5 RLC待測網(wǎng)絡(luò)其中R約為0， Ro為放大器輸出阻抗50歐，Ri也為50歐，為后級電路的 輸入電阻。中心頻率f°=1/(2 nVL

13、C)，品質(zhì)因數(shù)Q=(1/R) V(L/C)。經(jīng)理論計算，L取3.51uH，C取18pF，實(shí)驗得中心頻率為 20.08MHz，最大增益為-0.48dB， 滿足題目要求。4、乘法器電路W OUTPUT圖6 AD835電路采用高速模擬乘法器 AD835，其基本傳遞函數(shù)為 W=XY+Z。實(shí)驗中將X2、丫2、 Z接地，即可實(shí)現(xiàn)乘法功能。由于頻率較高，乘法器電源不僅需要電容去耦，還 要加入磁珠，以抑制電源線上產(chǎn)生的高頻干擾。同時需注意兩路乘法器電路盡可 能對稱，避免其輸入輸出關(guān)系產(chǎn)生差異。5、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換CH1TLC2543<3ND圖7 TLC2543電路如圖，為TLC2543DATAIN、DATA

14、OUT、CS與MSP430連接，通過串口傳輸數(shù)據(jù)， REF+連接至 電源電壓Vcc, REF-連接至GNDAD轉(zhuǎn)換器連接圖，其中CH1為信號輸入端,CLK、0NOTE A. To mMiimize erruFscauEMsd by och&b al.CS tiheirtlemal 口ruulcryw/tslbr 且 ssfjjp limeCS « belkxB rB&pondlrig bo conlrol tmpuls«gnabs.Therefore, no attempt shodd be made 1d wi sn addre&a untri I

15、he mmimijm CS sfilup time- has aiapsad.圖8 TLC2543時序圖圖示為MCU對TLC2543的操作時序，在CS片選端為低電平的情況下，單 片機(jī)提供CLK則TLC2543開始工作，在連續(xù)十二個時鐘期間，單片機(jī)寫入相應(yīng) 的控制字，控制單、雙極性輸出，MSB或LSB前導(dǎo)等數(shù)據(jù)格式。與此同時, TLC2543與時鐘同步輸出上一次的12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。六、軟件方案本系統(tǒng)中共用到兩片 MSP430F149，片用作 DDS主控端，通過與 AD9854I/O交互，實(shí)現(xiàn)題設(shè)要求DDS輸出各個功能模塊，并以液晶屏幕及鍵盤 交互的模式提供友好的人機(jī)界面，為使用者提供穩(wěn)定且便利的用

16、戶體驗。另一片MSP430F149位于整個系統(tǒng)的后端，發(fā)揮數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果顯示的 作用，通過對被測網(wǎng)絡(luò)的測量結(jié)果分析，繪制出被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻及相頻特性曲線。另外，我們知道，掃頻過程中，當(dāng)前掃頻頻率是數(shù)據(jù)處理的要素之一，因此 DDS端MSP430F149在不斷掃頻時，通過串口通信協(xié)議實(shí)時告知數(shù)據(jù)處理端 MSP430F149當(dāng)前掃頻頻率，便于后者將獲取的特性數(shù)據(jù)與對應(yīng)頻率一一對應(yīng)， 從而成功將被測網(wǎng)絡(luò)特性曲線描繪至 TFT屏幕。以下分別為DDS端MSP430F149與數(shù)據(jù)處理端MSP430F149軟件流程圖:圖9 DDS主控流程圖圖10 MCU顯示流程圖七、測試情況1、測試儀器直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源：型號

17、 GPD 3303DDS合成信號發(fā)生器：型號EE1461五位半數(shù)字萬用表：型號 FLUKE8808A200M數(shù)字存儲示波器：型號Tektronix TDS2022B自制簡易頻譜特性測試儀（含LCD顯示頻譜特性）高性能射頻一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀：型號 AV3620A2、DDS頻率合成輸出信號:頻率(MHz)1510152025303540CH1(Vpp)1.141.131.141.151.151.161.161.161.15CH2(Vpp)1.151.141.151.161.151.171.161.181.17( °)91.290.488.290.186.884.683.687.285.

18、4表1 DDS輸出信號測試數(shù)據(jù)基本滿足題目要求。3、RLC被測網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果中心頻率20.08M,有載最大增益為-0.48dB，有載品質(zhì)因數(shù)為3.83，滿足題 目要求。4、頻譜特性測試使用高性能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分析所準(zhǔn)備的 RLC待測網(wǎng)絡(luò)，記錄網(wǎng)絡(luò)實(shí)際頻 率特性數(shù)據(jù)；再用自制頻率特性儀測量相應(yīng)數(shù)據(jù)， 記錄在同一張表中，分析頻率 特性測試儀性能。數(shù)據(jù)如下（Av、©為實(shí)際特性，Av' ©為測量所得）f(MHz)1516171819202122232425Av(dB)-10.12-8.85-6.57-4.48-2.03-0.49-2.16-4.33-6.21-8.45-9.87Av' (dB)-9.7-8.6-6.3-4.2-1.9-0.