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基于AD9854的簡(jiǎn)易頻率特性測(cè)試儀
摘要：在雙端口網(wǎng)絡(luò)頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)零中頻正交解調(diào)原理，采用數(shù)字直接頻率合成技術(shù)（DDS）專用的集成電路AD9854輸出兩路正交正弦信號(hào)，作為正交掃頻信號(hào)源，以單片機(jī)MSP430F6638為控制核心，通過(guò)A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、放大器、模擬乘法器、低通濾波等外圍電路，可以對(duì)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行點(diǎn)頻以及1MHz～40MHz頻率范圍內(nèi)掃頻等測(cè)量，并在320x240超大液晶屏上清晰地顯示被測(cè)雙端口網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性曲線，具有電壓增益、相移和頻率坐標(biāo)刻度，人機(jī)交互界面友好。 關(guān)鍵詞：DDS 正交解調(diào) 模擬乘法器 濾波 掃頻 中圖分類號(hào)：TN98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2013）09-0069-02 掃頻測(cè)量在現(xiàn)代電子測(cè)量中占有重要的地位，運(yùn)用頻率特性測(cè)試儀可以動(dòng)態(tài)地測(cè)量被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性。傳統(tǒng)的模擬掃頻儀大多是用LC電路構(gòu)成的掃頻振蕩器，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，體積龐大，而且只能顯示幅頻特性曲線，不能得到相頻特性曲線，給使用者帶來(lái)諸多不便。 目前，國(guó)內(nèi)外的頻率特性測(cè)試儀主要集中在射頻和高頻，中低頻的產(chǎn)品比較少，而且價(jià)格相當(dāng)昂貴，因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的頻率特性測(cè)試儀頻率范圍為1MHz～100MHz，幅度測(cè)量精度小于1dB，相位測(cè)量精度小于1度，可以在320x240超大液晶屏上清晰地顯示被測(cè)雙端口網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性曲線，并且具有電壓增益、相移和頻率坐標(biāo)刻度。 1 DDS技術(shù)及AD9854芯片簡(jiǎn)介 �。�1）DDS技術(shù)。DDS（直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)）是將波形數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)，然后在頻率數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)脈沖的作用下通過(guò)相位累加器從存儲(chǔ)器中讀出波形數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換和濾波輸出。DDS技術(shù)具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率穩(wěn)定度高、相位噪聲低、相位分辨率高、輸出相位連續(xù)以及良好的調(diào)制特性等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的數(shù)字鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)頻率范圍較大，但難以達(dá)到很小的頻率間隔，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)ms級(jí)，并且難以達(dá)到很小的頻率間隔，整個(gè)測(cè)試儀的反應(yīng)速度就會(huì)很慢。因此采用DDS技術(shù)對(duì)信號(hào)源電路進(jìn)行設(shè)計(jì)是一種較為合適的方法。 �。�2）AD9854芯片。芯片AD9854以DDS為核心，內(nèi)部集成了2個(gè)正交D/A變換器、1個(gè)高速比較器，可以輸出I、Q兩路合成信號(hào)。在高穩(wěn)定度時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，AD9854將產(chǎn)生一高穩(wěn)定的頻率、相位、幅度可編程的正弦和余弦信號(hào)，允許輸出的信號(hào)頻率高達(dá)150MHZ，而數(shù)字調(diào)制輸出頻率可達(dá)100MHZ。芯片內(nèi)置有各種控制字和狀態(tài)字寄存器，用戶可通過(guò)并口或串口I/O與這些寄存器通信。此外，AD9854具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在100MHz的輸出下，無(wú)寄生雜波動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）高達(dá)80dB。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)原理 本系統(tǒng)根據(jù)零中頻正交解調(diào)原理，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。 步進(jìn)式掃描信號(hào)源在頻率點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生激勵(lì)電壓和正交基準(zhǔn)電壓，為 設(shè)被測(cè)電路的轉(zhuǎn)移電壓比函數(shù)為 則穩(wěn)態(tài)響應(yīng)電壓為 使乘法系數(shù)K，低通增益K’與U三者之積等于1，分別濾得和的直流分量為 由這兩個(gè)值用下式計(jì)算即可得測(cè)量值 2.2 硬件設(shè)計(jì) �。�1）DDS電路。DDS電路是本系統(tǒng)中的關(guān)鍵電路，根據(jù)AD9854的數(shù)據(jù)手冊(cè)，DVDD和AVDD分別為數(shù)字電源和模擬電源，分別通過(guò)磁珠接入5v電源中。為了保證提高系統(tǒng)的可靠性，降低電源紋波的影響，在設(shè)計(jì)中加入若干貼片封裝的10uF和0.1uF的電容進(jìn)行電源濾波。在電流差分輸出端接入七階橢圓低通濾波電路，既可以將電流轉(zhuǎn)換為電流，又可以減少輸出信號(hào)的雜散分量。圖2即為七階橢圓低通濾波電路。 （2）放大電路。DDS輸出的信號(hào)在320mV左右，為了使信號(hào)電壓的峰峰值≥1V，需要在DDS輸出信號(hào)后面接一級(jí)放大電路。放大電路采用同相放大，可以有效地將信號(hào)源輸出信號(hào)與后級(jí)電路進(jìn)行隔離，同時(shí)提高輸入阻抗并減小輸出阻抗。我們采用TI公司的運(yùn)算放大器OPA695，這款運(yùn)放的單位增益帶寬1500MHz（典型值），輸入失調(diào)電壓±0.5mV，適用于高頻信號(hào)的放大。由于DDS輸出具有直流分量，為了濾除直流分量，在運(yùn)放輸出端接一個(gè)電容即可。電路如圖3。 �。�3）模擬乘法器電路。AD835是一款完整的四象限電壓輸出模擬乘法器，它產(chǎn)生X和Y電壓輸入的線性乘積，-3dB輸出帶寬為250MHz。電路如圖4。 �。�4）低通濾波電路。我們利用TI公司推出的一款專用于濾波器設(shè)計(jì)的軟件——filterpro設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃斯型的截止頻率為10kHz的二階低通濾波器。電路如圖5。 �。�5）ADC設(shè)計(jì)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路功能是對(duì)含有輸入信號(hào)大小、幅度和相位差信息的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并把數(shù)據(jù)交給后續(xù)電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在綜合考慮速度和成本等因素后，決定采用MSP430F6638內(nèi)部自帶的ADC。 �。�6）被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。為了方便檢測(cè)的系統(tǒng)的可靠性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為20MHZ、有載品質(zhì)因數(shù)為4的RLC網(wǎng)絡(luò)。由于RLC串聯(lián)電路的 諧振頻率， 品質(zhì)因數(shù)， 因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖6的被測(cè)網(wǎng)絡(luò)。 2.3 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件部分由單片機(jī)和DDS芯片AD9854組成，單片機(jī)主要完成人機(jī)交互部分的處理和系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)的處理。AD9854主要產(chǎn)生兩路正交正弦信號(hào)。設(shè)計(jì)中模塊化思想貫穿始終。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主程序、中斷服務(wù)子程序、鍵盤(pán)掃描子程序、字符顯示子程序、LCD清屏子程序和字母組合子程序等。主程序完成初始化任務(wù)，釋放P0端口和中斷，等待按鍵輸入。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，調(diào)用掃描子程序，判斷LCD清屏、數(shù)字/字母鍵、大小寫(xiě)轉(zhuǎn)換等，調(diào)用相應(yīng)功能子程序。為了克服按鍵抖動(dòng)和LCD顯示不穩(wěn)定，采用延時(shí)程序進(jìn)行解決。相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。 3 誤差分析 本系統(tǒng)的誤差來(lái)源有以下幾點(diǎn)：（1）由于AD9854工作頻率較高，容易引入較大噪聲，因此需要注意電源與地線的連接和外圍電路的空間擺放。為避免高頻干擾，要注意對(duì)高頻信號(hào)的輸入輸出進(jìn)行必要的阻抗匹配控制。（2）模擬乘法器的輸出漂移造成影響，這是硬件電路難以避免的。 4 結(jié)語(yǔ) 本文通過(guò)對(duì)雙端口網(wǎng)絡(luò)頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，最終可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行點(diǎn)頻以及1MHz～40MHz頻率范圍內(nèi)掃頻等測(cè)量，被測(cè)雙端口網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性曲線可以清晰地顯示在液晶屏上。 該系統(tǒng)基本達(dá)到全數(shù)字化，大大地縮小了儀器的體積和重量，降低了成本，而且系統(tǒng)提供了豐富的外圍接口，方便了用戶的使用。 系統(tǒng)還有值得改進(jìn)的地方，在對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行掃頻測(cè)量時(shí)，其步長(zhǎng)變化規(guī)律在開(kāi)始掃描前就已經(jīng)確定，不能根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)整，如果需要改變步長(zhǎng)的變化規(guī)律，就需要重新修改程序，缺乏靈活性和通用性。因此，可以考慮設(shè)計(jì)一種算法能夠根據(jù)測(cè)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)的改變掃頻步長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)掃頻，提高測(cè)量的速度和精度。 參考文獻(xiàn) [1]闞繼泰.用正交乘積法測(cè)量頻率特性[J]，北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1991，12（3）：86-90. [2]謝敏等.基于AD9851及FPGA的網(wǎng)絡(luò)特性測(cè)試儀[J]，化工自動(dòng)化及儀表，2011，38（7）：834-836. [3]劉艷云，朱雷.基于MSP430單片機(jī)和DDS技術(shù)的頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J]，2011，34（5）：521-524.
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