基于89C55和FPGA的頻率特性測試儀

摘要：為了能夠直接顯示待測網(wǎng)絡的幅頻相頻特性，設計了一個以89C55和FPGA構成的最小系統(tǒng)為控制核心的頻率特性測試儀。系統(tǒng)基于DDS(直接數(shù)字頻率合成)原理和多周期同步計數(shù)相位測量法，由信號發(fā)生器，被測雙T網(wǎng)絡，真有效值檢波，相位檢測，LCD顯示及幅頻特性曲線顯示等部分構成。其中，信號發(fā)生和相位檢測在FPGA內部實現(xiàn)。用戶可通過按鍵輸入需求，頻率特性曲線實時顯示于示波器上。整個系統(tǒng)性能穩(wěn)定，界面友好，操作簡單，實現(xiàn)了數(shù)字化頻率特性分析。
關鍵詞：89C55；FPGA；DDS；真有效值檢波；相位測量

頻率特性是一個系統(tǒng)(或元件)對不同頻率輸入信號的響應特性，是一個網(wǎng)絡最重要的特性之一。幅頻特性和相頻特性綜合稱為頻率特性。測量頻率的方法有點頻法和掃頻法。傳統(tǒng)的模擬式掃頻儀價格昂貴、體積龐大，不能直接得到相頻特性，給使用帶來諸多不便。為此，設計了數(shù)字掃頻式頻率特性測試儀。

1 方案論證與選擇
1．1 方案的選擇
1．1．1 信號發(fā)生模塊
方案1：采用模擬分立元件或單片壓控函數(shù)發(fā)生器?？赏瑫r產生正弦波、方波、三角波，但由于元件分散性太大，產生的頻率穩(wěn)定度較差、精度低、波形差，不能實現(xiàn)任意波形輸出。
方案2：采用傳統(tǒng)的直接頻率合成器。這種方法能實現(xiàn)快速頻率變換，具有低相位噪聲以及所有方法中最高的工作頻率。但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，導致直接頻率合成的結構復雜，并且它也無法實現(xiàn)任意波形輸出。
方案3：采用鎖相式頻率合成器。鎖相式頻率合成是將一個高穩(wěn)定度和高精度的標準頻率經過加減乘除的運算產生同樣穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率的技術，它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。但由于鎖相環(huán)本身是一個惰性環(huán)節(jié)，鎖定時間長，故頻率轉換時間長，頻率受限。更重要的弱點是，不能實現(xiàn)任意波形的功能。
方案4：采用直接數(shù)字頻率合成器(DDFS)。DDFS技術以Nyquist時域采樣定理為基礎，在時域中進行頻率合成，它可以快速改變頻率，并且通過更換波形數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)任意波形功能。DDFS相對帶寬高，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可以實現(xiàn)程控。充分利用FPGA內部資源，在其內設置所有邏輯電路實現(xiàn)DDS合成，理論上可達MHz，100 kHz的頻段要求很容易實現(xiàn)，而且省去大部分硬件，只需D／A轉換輸出，避免硬件電路的分部影響。
為盡量減輕硬件負擔，充分利用數(shù)字資源，在滿足應用要求的基礎上，選擇方案4，在FPGA內部實現(xiàn)頻率合成。
1．1．2 被測網(wǎng)絡
方案1：直接利用阻容雙T網(wǎng)絡?？梢酝ㄟ^改變電容電阻的參數(shù)改變中心頻率，但其傳遞函數(shù)形式已經固定，帶寬大概是中心頻率的4倍，Q值固定為0．25，陷波效果較差。
方案2；采用改進雙T網(wǎng)絡，網(wǎng)絡輸出經過射級跟隨器反饋回網(wǎng)絡，可以限制帶寬，容易實現(xiàn)應用要求。為此選擇方案2。
1．2 系統(tǒng)總體實現(xiàn)方框圖
系統(tǒng)方框圖如圖1。