幅頻特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電子設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的測(cè)量幅頻特性的儀器頻譜分析儀，是現(xiàn)代電子測(cè)量領(lǐng)域的重要測(cè)量工具，被廣泛用于大到通信系統(tǒng)開發(fā)，小到電子器件的各類設(shè)計(jì)中，其作用是測(cè)量如信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)、濾波電路這樣雙端口網(wǎng)絡(luò)在頻率范圍內(nèi)，輸入信號(hào)的幅度隨著頻率變化的情況。參考得到的幅頻特性曲線與相頻特性曲線可以得到其帶寬、功率、諧波等信息，進(jìn)而對(duì)所設(shè)計(jì)的電子器件單元進(jìn)行性能評(píng)估和改進(jìn)方向。近幾年，國內(nèi)外的頻譜分析儀產(chǎn)品都在向智能化、自動(dòng)化、便攜化、模塊化、多功能的方向發(fā)展，不斷地將新技術(shù)、新元件、新工藝融入到頻譜分析儀的電路設(shè)計(jì)中。

1   背景

電子設(shè)計(jì)中常見的一些信號(hào)大多不是單一頻率的，而是在一個(gè)范圍內(nèi)不斷變化。在放大電路、濾波電路及諧振電路等幾乎所有的電子電路和設(shè)備中均含有電抗性元件，由于它們?cè)诓煌l率下的電抗值是不相同的，因而電信號(hào)在通過這些電子電路和設(shè)備的過程中，其幅度與相位發(fā)生了變化，亦即是電信號(hào)在傳輸過程中發(fā)生了失真。電信號(hào)傳輸前后信號(hào)的幅度比即為幅頻特性，所以幅頻特性測(cè)量?jī)x器對(duì)于電子設(shè)計(jì)實(shí)踐是不可或缺的。

用于幅頻特性測(cè)量的常用儀器有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀和掃頻儀等。其中，頻譜分析儀廣泛應(yīng)用于各種系統(tǒng)的開發(fā)測(cè)試中。頻譜分析儀測(cè)量二端口網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)輸入信號(hào)幅度的變化情況；早期的頻率特性測(cè)試儀是通過手動(dòng)改變頻率的方法逐點(diǎn)測(cè)量完成的，后來按照這種方法設(shè)計(jì)了專門的掃描儀用于頻率特性的測(cè)量。最早的頻譜分析儀大都采用分立元件來實(shí)現(xiàn)各種功能，所以體積大、設(shè)備重、故障率高、操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴，有的只能測(cè)試幅頻特性，且精度不高。

隨著頻率合成技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展，頻率特性測(cè)試儀也得到改進(jìn)，掃頻源采用數(shù)字量進(jìn)行控制，數(shù)字化信號(hào)源可以彌補(bǔ)分立元件的不足，測(cè)量部分也進(jìn)行了數(shù)字化的改進(jìn)。目前，常用的頻譜分析儀大概可分為兩類：第一類為掃頻類頻譜分析儀；另一種是實(shí)時(shí)頻譜分析儀。

掃頻式頻譜分析儀需要用不同的電路模塊進(jìn)行峰值檢測(cè)與相位差檢測(cè)，加上其他電路模塊后，導(dǎo)致電路復(fù)雜，體積較大。隨著現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，掃頻儀作為一種重要的測(cè)量?jī)x器，其設(shè)計(jì)理念也隨之改變，向小型化、數(shù)字化、低功耗的現(xiàn)代儀表設(shè)計(jì)理念發(fā)展^[2]。直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)的日益成熟，為頻譜分析儀實(shí)現(xiàn)數(shù)字化開辟了道路，液晶顯示器技術(shù)的成熟使掃頻儀小型化成為可能^[3]。針對(duì)以上問題，本文依據(jù)零中頻正交解調(diào)的原理，設(shè)計(jì)了一套數(shù)字化、模塊化的頻譜分析儀實(shí)驗(yàn)裝置，最終實(shí)現(xiàn)一套簡(jiǎn)易幅頻特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2   幅頻特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)是硬件電路設(shè)計(jì)必不可少的一部分。系統(tǒng)分析的主要目的是根據(jù)要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)，確定系統(tǒng)的組成部分和元器件參數(shù)；明確系統(tǒng)組成是后續(xù)對(duì)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。全面細(xì)致的分析計(jì)算是系統(tǒng)模塊正常工作的保證，每個(gè)模塊、每個(gè)部分都能夠正常工作才能保證整個(gè)系統(tǒng)有正常工作的可能。

2.1   系統(tǒng)框圖及分析與設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)高測(cè)量精度的模塊化幅頻特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)其可視化，可拓展化等功能，設(shè)計(jì)了如圖1 所示的系統(tǒng)框圖。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)由主控單片機(jī)控制DDS 芯片產(chǎn)生兩路正交掃頻信號(hào)，其中一路信號(hào)通過特定待測(cè)網(wǎng)絡(luò)后，分別與兩路基準(zhǔn)信號(hào)混頻，混頻后的信號(hào)再經(jīng)低通濾波后得到成分相同的兩路正交直流信號(hào)。信號(hào)傳遞到單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)置ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）采樣和數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出當(dāng)前頻率信號(hào)的幅度與相位，最后由示波器或者顯示器顯示待測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線與相頻特性曲線。

硬件系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分。

（1）信號(hào)發(fā)生模塊，該部分電路主要由DDS 芯片AD9854 及其外圍電路組成，用于差生兩路正交信號(hào)。

（2）正交解調(diào)模塊，也即零中頻解調(diào)電路，該部分主要由電壓跟隨器、模擬乘法器和低通濾波器組成，主要對(duì)前級(jí)信號(hào)進(jìn)行處理。

（3）顯示模塊。由一塊觸摸屏組成，將在該屏幕上完成對(duì)系統(tǒng)命令的輸入和曲線的顯示。

（4）主控單片機(jī)。使用其內(nèi)置A/D 對(duì)處理之后的信號(hào)進(jìn)行采集并完成數(shù)據(jù)處理工作。除此之外，單片機(jī)還負(fù)責(zé)對(duì)整體系統(tǒng)的控制，如對(duì)顯示屏幕的控制。

2.2   信號(hào)發(fā)生電路的分析與設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的兩路正交掃頻信號(hào)是由DDS 芯片AD9854產(chǎn)生的，該芯片采用先進(jìn)的DDS 技術(shù)，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 正交掃頻信號(hào)產(chǎn)生電路

在DDS 應(yīng)用中，主振頻率一般為幾十兆赫茲到幾百兆赫茲，而輸出正弦波的最大值可以達(dá)到主振頻率的1/4 到1/2，也就是說，最大頻率與主振頻率較為接近。在這種情況下，想要濾除主振頻率同時(shí)最大保留輸出的正弦信號(hào)，只能由過渡帶比非常小，接近1 的橢圓濾波器完成。圖3 為本電路使用的橢圓濾波器。

圖3 橢圓濾波器

圖4 橢圓濾波器仿真結(jié)果

圖4 是使用TINA-TI 仿真軟件對(duì)上述濾波器電路的仿真結(jié)果，得到的濾波器0 ～ 500 MHz 范圍內(nèi)的幅頻特性曲線與相頻特性曲線。從結(jié)果可看出，信號(hào)在DDS 系統(tǒng)主振頻率300 MHz 得到極大的衰減，對(duì)輸出的正弦信號(hào)影響極小。圖5 和圖6 中設(shè)定輸出頻率為80 MHz，頻域圖中白線代表基主界面波和DAC 圖像，粉線和綠線分別代表二次諧波和三次諧波，橙色線為PPT spur。圖7、圖8 為后接截止頻率為100 MHz、七階butterworth 型的低通濾波器后的DDS 電路輸出的頻域圖和時(shí)域圖。由以下的仿真結(jié)果可看濾波前濾波后的頻域圖與時(shí)域圖可看出七階濾波器的低通濾波器對(duì)DDS 輸出信號(hào)有著極強(qiáng)的平滑作用，對(duì)通帶之外的頻率信號(hào)有著良好的衰減作用，并有效地抑制了PPT spur等雜散信號(hào)。

圖5 濾波前DDS輸出頻域圖

圖6 濾波前DDS輸出時(shí)域圖

圖7 濾波后DDS輸出頻域圖

圖8 濾波后DDS輸出時(shí)域圖

因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/AD9854">AD9854 有效電壓輸出范圍為-0.5 V ～ 1 V，經(jīng)過七階無源濾波器后會(huì)大幅度衰減，為了得到更大幅度信號(hào)，本設(shè)計(jì)在濾波器后增加高速運(yùn)算放大器THS3091 對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。高速運(yùn)算放大器有兩個(gè)重要指標(biāo)——帶寬和壓擺率，其中信號(hào)為小信號(hào)時(shí)，主要考慮增益帶寬積對(duì)運(yùn)算放大器的影響；在大信號(hào)通路中，則需主要考慮壓擺率對(duì)運(yùn)算放大器速度的影響。THS3091 是一款高電壓、低失真、電流反饋型的運(yùn)算放大器，具有高達(dá)7 300 V/μs 的壓擺率，是高電壓任意波形驅(qū)動(dòng)器的理想選擇。同時(shí)+/-250 mA 的輸出電流使TH3091 具備很強(qiáng)的電壓擺幅能力，可用于驅(qū)動(dòng)高電阻和高電容負(fù)載，同時(shí)保持良好的建立時(shí)間性。圖9、圖10 為對(duì)同相10 倍放大的TH3091 電路的設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可看出，放大器通帶增益20 dB 左右，3 dB 帶寬為200 MHz 左右，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 TH3091放大電路

圖10 放大電路仿真結(jié)果

2.3   正交解調(diào)電路分析與設(shè)計(jì)

解調(diào)電路的核心混頻器采用ADI 公司的模擬乘法器AD835。這是一款電壓輸出四象限乘法器，3 dB 帶寬達(dá)到250 MHz，且噪聲極低。該乘法器組成基于經(jīng)典的形式——一個(gè)由三個(gè)（X，Y，Z）線性化電壓—電流轉(zhuǎn)換器和負(fù)載驅(qū)動(dòng)輸出放大器組成的跨線性核心。

在本設(shè)計(jì)中采用如圖11 所示的基本連接，即為將X2，Y2 接地，由X1，Y1 的輸入的信號(hào)相乘再與Z 端輸入的信號(hào)相加，最后于W 端輸出。

圖11 AD835基本連接

根據(jù)前述原理，信號(hào)經(jīng)過混頻器之后是一個(gè)帶有直流分量的混頻信號(hào)，為了得到含有幅度、相位信息的直流信號(hào)，則需對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波。由于系統(tǒng)中基本不存在低頻噪聲，本設(shè)計(jì)選用TI 公司的低噪聲、高精度運(yùn)算放大器OPA227，設(shè)計(jì)一套截止頻率為幾赫茲的一階低通濾波器，即可完成濾波要求。

2.4   系統(tǒng)處理流程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主控單片機(jī)采用TI 公司的Tiva C 系列單片機(jī)TM4C123GXL 為主控單片機(jī)，所有程序代碼均在TI 公司代碼編譯軟件Code Compose Studio 上完成。

圖12 Tiva與AD9854、UART屏的硬件連接

在本設(shè)計(jì)中，AD9854 采用并行的方式與單片機(jī)進(jìn)行通信。圖12 即為Tiva 單片機(jī)與AD9854 以及UART屏的連接對(duì)應(yīng)關(guān)系，與AD9854 以如上并聯(lián)方式連接，與UART 屏則用串口方式通信。

AD9854 一共有五種可編程的工作模式。本設(shè)計(jì)中采用Ramped FSK（frequency-shift keying，頻移鍵控）的方式工作，在該種工作模式下，頻率控制字F1、F2內(nèi)分別存放高頻率和低頻率，這種工作模式下FSK 的頻率變化不是瞬時(shí)的，而是通過頻率掃描實(shí)現(xiàn)的。在該模式下既可以實(shí)現(xiàn)低頻率到高頻率再到高頻率的線性掃頻，也可以通過改變掃描速度的方式實(shí)現(xiàn)非線性掃頻。

圖13 Ramped FSK Mode

本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)與AD9854 通過并行的方式進(jìn)行通信，系統(tǒng)軟件部分主要包括系統(tǒng)主函數(shù)、中斷服務(wù)子程序、AD9854 控制程序、鍵盤掃描子程序、畫屏子程序等組成。圖14 為簡(jiǎn)化后的單片機(jī)程序流程圖。

圖14 單片機(jī)流程圖

3   系統(tǒng)的仿真與測(cè)試

3.1   系統(tǒng)總體仿真

圖15 系統(tǒng)總體仿真

圖15 是對(duì)系統(tǒng)的整體的仿真。對(duì)信號(hào)發(fā)生器設(shè)置信號(hào)源為1 MHz ～ 40 MHz 的正交掃頻信號(hào)。圖16 即為系統(tǒng)測(cè)量點(diǎn)VF1 處信號(hào)在示波器上的顯示情況。信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)為1 MHz～ 40 MHz的循環(huán)掃頻信號(hào)，VF1、VF2 所得到的信號(hào)的一個(gè)周期，也就是掃頻范圍內(nèi)各個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的直流偏量組成的曲線。對(duì)該兩條曲線進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)處理，即可得到幅頻特性曲線與相頻特性曲線。

圖16 VF1處信號(hào)

3.2   系統(tǒng)測(cè)試

首先是對(duì)信號(hào)發(fā)生電路的測(cè)試，本系統(tǒng)中AD9854最高可以產(chǎn)生最高到100 MhZ，且分辨率在1 Hz 以下（100 MHz 以內(nèi)信號(hào)沒有失真）。DDS 是通過改變頻率控制來改變相位累加器的相位累加速度，因此其輸出信號(hào)必定含有大量的雜散譜線。橢圓低通濾波器是一種零、極點(diǎn)型濾波器，它在有限頻率范圍內(nèi)存在傳輸零點(diǎn)和極點(diǎn)。它的通帶和阻帶都具有等波紋特性，因此通帶，阻帶逼近特性良好，且它所需用的階數(shù)，過渡帶比較窄。DDS 經(jīng)過橢圓濾波器輸出的兩路正交I，Q 信號(hào)其相位關(guān)系如圖17 所示?？梢钥闯鰞陕沸盘?hào)相差平均值在90° 左右，且標(biāo)準(zhǔn)差為600 m 左右，可以得出結(jié)論兩路信號(hào)的相差基本在90°左右小范圍浮動(dòng)。

圖17 掃頻信號(hào)

圖18 兩路正交信號(hào)相位關(guān)系

前面的測(cè)試結(jié)果表明DDS 模塊產(chǎn)生的兩路正交信號(hào)正確，可以用于后面的信號(hào)處理電路。接下來分別用頻譜分析儀和本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)測(cè)量待測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線，將系統(tǒng)測(cè)得的幅頻特性曲線與頻譜分析儀測(cè)得的幅頻特性曲線進(jìn)行比對(duì)。圖19 和圖20 分別使用頻譜分析儀與本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)得到的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量所用的RLC 網(wǎng)絡(luò)的中心頻率為15 MHz，DDS 信號(hào)源的掃頻范圍為1 MHz ～ 40 MHz。

圖19 頻譜分析儀測(cè)得幅頻特性曲線

圖20 系統(tǒng)測(cè)得幅頻特性曲線

圖20 中單個(gè)周期內(nèi)的圖像即為測(cè)得的幅頻特性曲線。由以上示波器圖像比對(duì)可知，兩種方式測(cè)得的幅頻特性曲線基本相同。

4   結(jié)論

本設(shè)計(jì)根據(jù)正交乘積法測(cè)量二端口網(wǎng)絡(luò)幅頻特性與相頻特性的原理，以DDS 芯片AD9854、乘法器芯片AD835 為核心，設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)易幅頻特性測(cè)試系統(tǒng)。本文的主要工作包括兩個(gè)方面。

（1）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，按功能將系統(tǒng)大致分為三個(gè)部分：以AD9854 為核心的信號(hào)發(fā)生模塊、以AD835為核心的正交解調(diào)模塊、還有用于輸入與顯示的觸摸屏幕模塊。通過分析計(jì)算推導(dǎo)，確定各個(gè)芯片選型，并使用Tina-TI 對(duì)各個(gè)模塊分別進(jìn)行仿真。

（2）使用MATLAB 對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量原理進(jìn)行驗(yàn)證，證明其理論上的可行性；同時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行總體仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)的可行性。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）