基于DSP的低頻頻率特性測試儀

摘要：傳統(tǒng)的頻率特性測試儀不僅價格昂貴，且得不到相頻特性，更不能保存頻率特性圖和打印頻率特性圖，也不能與計算機接口，給使用者帶來了諸多不便。而本文采用DDS技術(shù)作為掃頻信號源；同時采用了集成模擬芯片AD8302對幅度和相位進行檢測，用DSP芯片TMS320VC5409和CPLD芯片EPM7128進行測量控制和數(shù)據(jù)處理，人杌接口部分是利用單片機AT89C51實現(xiàn)，并配有打印機接口和串行通信接口。系統(tǒng)基本達到了全數(shù)字化，這有利于縮小儀器的體積，減輕重量，降低成本，并能較好的顯示幅頻特性和相頻特性曲線。
關(guān)鍵詞：DDS；DSP；CPLD；頻率特性

在現(xiàn)代電子測量中掃頻測量占有重要地位，頻率特性測試儀運用掃頻技術(shù)可以對被測網(wǎng)絡(luò)進行快速的動態(tài)測量，得到被測網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的實時測量結(jié)果。以往的模擬掃頻儀大多是用LC電路構(gòu)成的掃頻振蕩器，其體積龐大，結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴，而且只能顯示幅頻特性曲線，不能得到相頻特性曲線，給使用者帶來諸多不便。隨著電子科技的飛速發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化，傳統(tǒng)的頻率特性測試儀已經(jīng)無法完全滿足科研人員的需要。因此，對于數(shù)字化、智能化高性能頻率特性測試儀的需求量日益增大。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
頻率特性測試系統(tǒng)一般包含測試信號源、被測網(wǎng)絡(luò)、檢波及顯示3個部分。本系統(tǒng)根據(jù)所要完成的測試功能及技術(shù)指標，該系統(tǒng)應由掃頻源、幅度相位測量電路、控制及運算部分、人機接口單元幾部分組成。系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。

信號源電路由信號發(fā)生電路和信號調(diào)理電路兩部分組成。在本系統(tǒng)中信號發(fā)生電路采用DDS技術(shù)(即直接數(shù)字頻率合成技術(shù))實現(xiàn)，用于產(chǎn)生頻率、持續(xù)時間等均可控的掃頻信號，并能夠滿足一般用戶對頻率范圍的要求；信號調(diào)理電路主要是對信號中的噪聲進行抑制并對輸出信號的功率起到控制作用。
增益相位檢測電路是為了檢測被測網(wǎng)絡(luò)兩端的幅度差和相位差。先對被測網(wǎng)絡(luò)兩端的信號進行預處理后對其進行模擬鑒幅和鑒相，然后把幅度差和相位差的模擬量由ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送給控制及數(shù)據(jù)處理電路進行分析處理。
控制及數(shù)據(jù)處理電路要完成邏輯控制、數(shù)據(jù)處理和與人機接口部分通信3個主要功能，由DSP和CPLD組成。主要用于控制整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，并對測量及人機接口部分來的數(shù)據(jù)進行分析處理。
圖形顯示及接口電路負責接收各種指令和顯示測量結(jié)果，例如，測量時掃頻信號所需要的起始頻率、終止頻率、頻率問隔、單頻點持續(xù)時間、信號功率等參數(shù)，以及測量完成后顯示特性曲線時顯示方式的設(shè)置，如：刻度大小選擇、文字標注方式、坐標選擇等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)由掃頻源、幅度相位測量電路、控制及運算部分、人機接口單元幾部分組成。
2．1 掃頻信號源設(shè)計
直接選用DDS技術(shù)設(shè)計掃頻信號源。從本設(shè)計要求低頻和成本考慮，這里選擇AD7008系列中20 MHz芯片。掃頻信號源框圖如圖2所示。由于AD7008內(nèi)部沒有時鐘發(fā)生電路，所以需要外部時鐘源提供時鐘信號，本系統(tǒng)采用NBC12439為AD7008提供時鐘信號。

由于AD7008輸出信號的幅度不能達到系統(tǒng)所要求的-55～+18 dBm的范圍，故需要對信號進行放大，放大電路的設(shè)計較為簡單，為了便于對輸出信號的功率控制使用了可控增益放大器，易于數(shù)字控制增益的大小；又因為輸出信號的最大功率要達到+18 dBm且信號頻率最高達5 MHz，普通的運放難以達到要求，故使用射頻放大器來提升信號的輸出功率。AD7008所產(chǎn)生的信號直接由器件內(nèi)部的DAC輸出，內(nèi)部不含低通濾波器，故要對其輸出信號進行濾波處理。
2．2 幅度相位檢測電路的設(shè)計
介紹用幅度相位檢測芯片AD8302來檢測被測網(wǎng)絡(luò)的幅度和相位，及其信號調(diào)理電路，以及模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換電路和相位的極性判斷電路。由于增益相位檢測器AD8302要求被檢測的兩路信號功率在-60～0dBm范圍內(nèi)，為防止損壞器件，需對兩路信號進行功率調(diào)整，本系統(tǒng)使用了易于數(shù)字控制增益的可控增益放大器AD8369和對數(shù)放大器AD8307構(gòu)成一個反饋系統(tǒng)進行自動調(diào)整。對數(shù)放大器AD8307可以對信號的幅度進行檢測，通過被檢測到的幅度范圍，系統(tǒng)調(diào)整可控增益放大器AD8369的放大倍數(shù)，使增益相位檢測器AD8302能夠有效地對被測網(wǎng)絡(luò)的增益和相位進行檢測。將模擬增益和相位檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的方法是采用ADC，由于檢測結(jié)果是個慢變信號，因此對ADC的速度要求較低，本系統(tǒng)中具有3路模擬量要轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，因此選用了多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器件——ADS8364。幅度相位檢測電路的硬件設(shè)計方案如圖3所示。

另外，由于AD8302檢測的相位是0～180°之間，不能給出相位是超前還是滯后，所以需要相位極性判斷電路對相位進行判斷，其電路主要由分頻器電路、施密特觸發(fā)器、D觸發(fā)器等組成。
2．3 數(shù)據(jù)處理及控制電路設(shè)計
數(shù)據(jù)處理及控制單元主要完成通信、數(shù)據(jù)處理、功能控制等工作。主要由TMS320VC5409、晶體振蕩器、電源控制、WATCHDOG和CPLD等器件組成。