隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，頻率特性測試儀作為現(xiàn)代電子測量領(lǐng)域的一種重要工具，其設(shè)計理念也在不斷地革新。頻率特性測試儀是一種測試網(wǎng)絡(luò)或者電路的頻率特性的儀器，又稱掃頻儀;可以用來測量信號傳輸網(wǎng)絡(luò)、信號放大電路及濾波電路等雙端口網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性與相頻特性。由于在傳統(tǒng)的掃頻儀設(shè)計方法中，被測網(wǎng)絡(luò)幅頻特性與相頻特性的獲取，需要通過不同的電路模塊分別進(jìn)行峰值檢測與相位差測量，導(dǎo)致其系統(tǒng)由多個模塊構(gòu)成，電路復(fù)雜且體積較大。因此本文設(shè)計了一種新的頻率特性測試儀，其采用直接頻率合成(DDS)芯片AD9854產(chǎn)生正交掃頻信號，并以低功耗單片機STM32作為任務(wù)控制與數(shù)據(jù)處理的核心部件。 　　1.總體方案 　　該頻率特性測試儀的設(shè)計基于零中頻正交解調(diào)原理，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 　　圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 　　設(shè)計采用DDS集成芯片AD9854產(chǎn)生正交掃頻信號，該芯片內(nèi)部整合了兩路高速、高性能正交D/A轉(zhuǎn)換器，通過數(shù)字化編程即可輸出I、Q兩路合成信號。將這兩路信號分別通過七階橢圓低通濾波器LBP1進(jìn)行整形，然后通過放大隔直電路，獲得幅度滿足要求的正交信號，再對被測雙端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行基于正交解調(diào)原理的掃頻測量。 　　設(shè)通過放大隔直電路后，該正交信號的同相分量u1=A1cosωt，正交分量uQ=A1sinωt。設(shè)被測網(wǎng)絡(luò)的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)()，那么同相分量u1通過被測網(wǎng)絡(luò)后獲得的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)電壓： 　　假設(shè)模擬乘法器增益系數(shù)為K，則經(jīng)過模擬乘法器后，同相分量支路的輸出為： 　　正交分量支路的輸出為： 　　經(jīng)低通濾波器LBP2，濾掉各支路信號中的和頻分量，假設(shè)低通濾波器的通帶內(nèi)增益為B，則濾波后同相分量與正交分量分別為： 　　I、Q兩路信號經(jīng)ADC采樣后，在STM32中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過計算可得相移與電壓增益分別為： 　　設(shè)計中使乘法器增益系數(shù)、正交信號振幅的平方A12與低通濾波LBP2通帶內(nèi)增益三者之積為2，可以很方便地計算出Av。針對點頻輸入信號，利用式(5)、(6)可以獲得該頻率信號通過被測網(wǎng)絡(luò)的電壓增益和相移，而針對掃頻輸入信號，則可以獲得被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性曲線。 　　圖1中加法電路的作用是進(jìn)行電平調(diào)整，為后續(xù)的ADC數(shù)據(jù)采集提供合適的信號電壓，本設(shè)計采用STM32片內(nèi)ADC進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，其電壓測量范圍為0.0～3.3V。I、Q兩支路信號通過模擬乘法器和低通濾波后，獲得信號電壓的范圍為﹣1.0～ 1.0v，因此需經(jīng)加法電路抬高其電平，使其滿足采樣要求。AD轉(zhuǎn)換后，應(yīng)用STM32對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過LCD顯示幅頻和相頻特性。 　　2.硬件電路 　　2.1 正交掃頻信號產(chǎn)生電路 　　采用數(shù)字頻率合成芯片AD9854產(chǎn)生掃頻信號，該芯片在高穩(wěn)定度時鐘的驅(qū)動下，可產(chǎn)生頻率、相位、幅度可編程的正、余弦信號，其允許輸出的信號頻率高達(dá)150MHz。筆者對AD9854外圍電路的設(shè)計如圖2所示。AD9854的參考時鐘引腳69連接30MHz有源晶振，通過程序設(shè)置片內(nèi)鎖相環(huán)，對其進(jìn)行10倍頻，可獲得300MHz的系統(tǒng)時鐘。 　　圖2 正交掃頻信號產(chǎn)生電路 　　AD9854芯片內(nèi)部帶有兩個高速的正交DAC，可同時輸出I、Q兩路正交信號，兩DAC輸出通過相位補償互相影響，保持90°的相位差。AD9854的I、Q兩路DAC滿量程輸出電流的幅度由第56引腳連接的電阻RSET控制，RSET的阻值計算公式如下： 　　其中，IOUT為DAC滿量程輸出電流的振幅，該參數(shù)需合理設(shè)置，以使正交DAC獲得最佳的窄帶無雜散動態(tài)范圍。本設(shè)計中RSET電阻取3.9kΩ，則IOUT為10mA。圖2中，I、Q兩路連接輸出電阻R5、R6均為50Ω，則DDS輸出最大電壓幅值為500mV。 　　I、Q兩路DAC的正交信號輸出端IOUT1、IOUT2需接低通濾波器，筆者設(shè)計了七階橢圓低通濾波器，該濾波器過渡帶下降迅速，其截止頻率為100MHz，通帶波紋則為0.05dB，阻帶最小衰減為50dB。該橢圓濾波器主要用于平滑信號，同時濾除高頻干擾和DDS諧波雜散信號。 　　2.2 STM32與AD9854接口電路 　　采用低功耗單片機STM32F103作為任務(wù)控制核心，其與AD9854的接口電路如圖3所示。STM32F103是一款基于ARM CortexTM-M3內(nèi)核的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC處理器，具有32位硬件除法器和單周期乘法器，具有強大的數(shù)據(jù)處理和運算能力，滿足本設(shè)計中關(guān)于數(shù)據(jù)處理部分的要求。且其I/O端口豐富，還具有3個12位的ADC，便于數(shù)據(jù)采集。同時該芯片采用3.3V單電源供電，可直接對AD9854的引腳進(jìn)行讀/寫操作，無需額外的電平轉(zhuǎn)換電路，簡化了硬件設(shè)計。 　　圖3 STM32與AD9854的硬件連接 　　STM32F103與AD9854之間采用并行通信方式，AD9854的八位雙向并行編程數(shù)據(jù)輸入端口D[7：0]與STM32F103的PC口低8位相接，AD9854的六位并行地址總線輸入引腳A[5：0]與STM32F103的PC[13：8]相接。AD9854內(nèi)部設(shè)有40個8位寄存器，地址范圍為00H～27H，用于存儲控制字與狀態(tài)字。通過向這些內(nèi)部寄存器寫人數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對AD9854的工作控制，包括工作模式、輸出信號頻率、相位及幅度等。AD9854的控制字可通過STM32設(shè)定寄存器地址A[5：0]和數(shù)值D[7：0]，在WR信號的下降沿和上升沿寫入。 　　2.3 模擬乘法器電路 　　乘法電路設(shè)計采用高速模擬乘法器AD835，它是一款完備的四象限電壓輸出模擬乘法器，3dB帶寬達(dá)到250MHz，且乘積噪聲低，其外圍電路設(shè)計如圖4所示。AD835的輸入電壓范圍為﹣1.0～ 1.0V，具有兩個差分輸入端，分別為X1、X2和Y1、Y2，設(shè)計中將差分輸入的一端接地，另一端接乘法信號。該芯片將X、Y兩個輸入信號相乘后與Z引腳輸入電壓相加，再經(jīng)放大電路，由W引腳輸出。為保證AD835乘法器的乘性系數(shù)K=1，R1、R2的接法如圖4所示。調(diào)整R2，使R1/R2=20，此時乘法器的輸出W=XY Z，將Z端接地，只進(jìn)行乘法運算，則最終輸出W=XY。設(shè)計中為了保證輸入AD835的信號X、Y滿足幅值要求并且不包含直流分量，在低通濾波器LBP1后，增加一級由超高速運放AD8009構(gòu)成的同相比例放大器，并采用隔直電容去除信號中的直流分量。 　　圖4 模擬乘法器外圍電路 　　2.4 二階有源低通濾波器 　　低通濾波器LBP2采用二階有源低通濾波器，該濾波器的作用是濾掉正交調(diào)制過程中產(chǎn)生的頻率為2ω的信號分量。設(shè)掃頻時間為Ts，共掃描N個頻點，則掃描每個頻點的時間為Ts/N，選取4倍時間常數(shù)，低通濾波器的截止頻率fo=4N/Ts，本設(shè)計中掃頻時間Ts取2s，頻點數(shù)最大取500，計算得fc為1kHz。為保證余量，設(shè)計中選取截止頻率fc=2kHz。筆者采用精密運算放大器0P27設(shè)計二階Butterworth低通濾波器，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用Sallen-Key結(jié)構(gòu)，且電壓增益為2。 　　3.軟件部分 　　系統(tǒng)的軟件部分主要包括系統(tǒng)主程序、鍵盤掃描子程序、AD9854控制子程序、模/數(shù)轉(zhuǎn)換子程序及液晶顯示子程序等。主程序首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，配置STM32的GPIO端口，初始化LCD、AD9854和片內(nèi)ADC，然后等待按鍵輸入，進(jìn)行測量模式選擇。模/數(shù)轉(zhuǎn)換子程序?qū)ζ瑑?nèi)ADC進(jìn)行配置，并實現(xiàn)點頻、掃頻測量數(shù)據(jù)采集存儲和多次采樣確認(rèn)。液晶顯示子程序完成幅頻、相頻特性的顯示、清屏及字符顯示等功能。AD9854控制子程序完成DDS芯片工作模式選擇、正交掃頻信號頻率設(shè)置及掃頻信號振幅設(shè)置等功能。軟件主程序流程如圖5所示。 　　圖5 主程序流程 　　限于篇幅，只列出關(guān)于AD9854工作模式設(shè)置和正交信號幅度、頻率設(shè)置的部分程序代碼： 　　//設(shè)置AD9854工作模式選擇為single—tone，對參考時鐘進(jìn)行10倍頻，由PIN20引腳外部刷新頻率 　　unsigned cha rmodel[4]={0x00，0x4A，0x00，0x60}; 　　//默認(rèn)初始頻率1MHz，頻率字FW根據(jù)公式fOUT=(fSYSCLK×FW)/2N計算得出 　　unsigned char freq[6]={0x00，0xDA，0x74，0x0D，0xA7，0x41};//信號頻率控制字 　　unsigned char signalAM1[2]={0xFf，0Xff};//信號幅度控制字 　　unsigned char signalAM2[2]={0XFf，0Xff};//信號幅度控制字 　　AD9854一Reset(); 　　AD9854一SetSpecialWord(mode1);//設(shè)置AD9854的工作模式 　　AD9854一SetOutkeyI(signalAM1);//設(shè)置1支路信號振幅 　　AD9854一SetOutkeyQ(signalAM2);//設(shè)置Q支路信號振幅 　　AD9854一SetFreql(freq);//設(shè)置正交信號頻率