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简易频率特性测试仪..doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.48M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    2013 年全国大学生电子设计竞赛 简易频率特性测试仪（E 题） 【本科组】 2013 年 9 月 7 日
    简易频率特性测试仪 摘要：本系统以 STM32 控制器为核心，采用 DDS 芯片 AD9854 产生稳定的正交信号源，通过正 交调制的方式完成对被测网络的幅频和相频特性测量，能够实现对被测网络的点频和线性扫频测 量，并采用彩色液晶进行数字化的图形显示。测试结果表明，本设计能够实现在 1M～40MHz 频 率范围内，对被测网络频率特性的测试，正确显示其中心频率和 3dB 带宽，并且能够任意设置扫 频步进和扫频范围，实现频率的粗扫描和精细扫描，其幅度绝对优于 0.5dB，相位精度优于 5 度。 关键字：正交调制、频率特性、DDS I
    目录 1 方案论证..........................................................................................................................................1 1.1 扫频信号源...............................................................................................................................1 1.2 特性曲线显示...........................................................................................................................1 2 理论分析与计算..............................................................................................................................1 2.1 系统原理...................................................................................................................................1 2.2 DDS 参数设计..........................................................................................................................2 2.3 低通滤波器设计.......................................................................................................................2 2.4 ADC 设计..................................................................................................................................2 2.5 被测网络设计...........................................................................................................................2 2.6 特性曲线显示.......................................................................................................................... 3 3 电路与程序设计..............................................................................................................................3 3.1 DDS 电路设计..........................................................................................................................3 3.2 乘法器电路设计.......................................................................................................................3 3.3 滤波器设计...............................................................................................................................4 3.4 程序设计...................................................................................................................................4 4 测试方案与测试结果......................................................................................................................5 4.1 测试仪器...................................................................................................................................5 4.2 测试方案...................................................................................................................................5 4.2.1 正交信号源的测试........................................................................................................... 5 4.2.2 发挥部分的测试............................................................................................................... 5 4.3 测试结果...................................................................................................................................5 5 总结.................................................................................................................................................. 6 参考文献.............................................................................................................................................6 II
    一、方案论证 1.1 扫频信号源 题目要求采用零中频正交解调方案完成频率特性测试，需要在1M～40MHz频率范围内产生频 率可调的正弦信号。要求在整个频率范围内具有很好的平坦度、稳定度和正交性的扫频信号源的 这些指标是整个扫频仪的关键。 方案一：采用可编程器件产生扫频信号 利用可编程器件实现直接数字频率合成(DDS)，采用这种纯数字化的方法，产生信号的频率 准确，频率分辨率高产生正交信号源，但需要外接 DAC 和滤波电路，难以在题目要求的频带内 做到完全正交。 方案二：采用专用的 DDS 集成芯片 专用的集成 DDS 芯片具有外围器件很少，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控的 特点，根据题目要求选用 AD 公司生产的一款 DDS 芯片 AD9854，它的最高时钟为 300MHz，具 有相对带宽宽，转换时间极短、频率分辨率高、功耗低等优点。因此，我们选择 DDS 芯片 AD9854 来产生 1MHZ～40MHZ 的正弦波。 1.2 特性曲线显示 本题具有点频和扫频曲线显示功能，为能够正确稳定的显示待测网络的频率特性，可以采用 模拟和数字方式显示。 方案一：模拟显示 根据示波器显示曲线的原理，采用Ｘ-Ｙ方式显示，即在 Y 轴上加曲线信息，并根据在示波器 屏幕上的位置要求，叠加直流电平。同时，X 轴加锯齿波扫描，锯齿波的扫描递增速度与 Y 轴的 信息同步，即 Y 轴每来一信息，X 轴锯齿波递增。其好处是不需要进行数字处理。 方案一：数字液晶屏显示 直接采用数字化采用低频的 I，Q 信号，通过编程完成幅频和相频特性的计算，采用点阵式 的图像彩色液晶屏实时显示，可以通过编程完全扫描范围，步进可调的缩放功能，数字化显示中 心频率和 3dB 带宽。我们选择更方便灵活的数字化处理和液晶屏显示点频和扫频显示测量结果。 二、理论分析与计算 2.1 系统原理 系统整体框图如图 1 所示，由扫频源提供正交的信号源，其中一路经过被测网络，再与乘法 器相乘后，经过低通滤波，滤除高频分量，分别得到低通的 I，Q 信号如式（1)、(2）所示。由式 (3)、(4)式可 得到被测网 络的幅度特 性和相频特 性。 图 1 系统原理框图 1
     ) | t A w A   )| ( cos(    ( t ))] v cos( ( ))  ( ) I t   [ cos( LPF A 1 | 2 )| A w A v 2 ( )  Q t LFP A ( [ sin(  2 | ( )| A w A v  1 2 ( )| ) | t Av w A   cos( ( ))]    t sin( ( ))  | |vA  2 I  arc tan( 2 Q  )Q I （1） （2） （3） （4） 2.2 DDS 参数设计 题目要求输出电压峰峰值大于等于 1V，输出高频率为 40MHz。在计算取值时，设定 AD9854 的参考电阻为 3.9K，使其最大输出电流为 10mA，此时输出电阻 51Ω，DDS 输出峰峰值为 510mV， 在经过电流反馈型宽放 THS3095 的两倍放大，使其输出峰峰值大于 1V 满足题目要求。DDS 的时 钟为 256MHz，输出为 40MHz 的正弦波不是很平滑，会影响精度，所以需要低通滤波，其截至频 率在 100MHz。 2.3 低通滤波器设计 低通滤波器滤掉正交调制中的频率为 2的和频信号，而频率范围1 ， 扫频时间为 Tc，一共扫描 N 个频点，每个频点的时间为 Tc/N，选取 5 倍时间常数，则低通滤波器 截止频率为 fc 由式(5)决定。 MHz MHz 40   f  5N fc Tc 40  MHz (5) ,Tc=2s 则 N=390，则 fc=975Hz，为保证 本设计中扫频步进取 100KHz，1 MHz  f 余量，本电路 2.4 ADC 设计 I、Q 通道平衡对测量仪的精度至关重要，为保证正交平衡，DDS 后的放大和滤波电路保证 完全相同的电路，参数元件一直，PCB 走线一致，由于扫频时间 2S,步进为 100K,整个频率范围内 需要 391 个频点，对采用速率要求不高，我们选用 STM32 的片内 AD，使用能够轻松达到 12bit 的精度，满足系统幅度 0.5dB 波动的测量要求。 2.5 被测网络设计 f 被测网络为 LC 串联谐振网络，中心频率 0 4Q  ， f 为 5MHz， L 采 用 色 码 电 感 ， 其 自 身 QL 值 远 大 于 有 载 品 质 因 素 Q ， 故 电 感 自 身 损 耗 可 忽 略 。 r  ，由式(6)(7)可得电感和电容的取值。 ，有载品质因素 M H z 100 20 R R     i O  3.18 uH (6) 取 L  3.3 uH , 调节 C C 1 0  ～  Qr (0 30   20 pF 6 400 6.28 20 10 ) pF  (7) ，使得满足要求，仿真得其频率特性如图 2 所示。 L Qr   6  0 6.28 20 10 400   1   2
    2.6 特性曲线显示 图 2 RLC 谐振网络频率特性 题目要求显示网络的幅频和相频特性，我们采用 320×240 的彩色液晶屏进行显示，采用 200×200 的像素同时显示幅度和相位曲线，其中幅度采用 dB 显示，测量中，系统先进行短路 校正，然后进行扫频范围内各频点的0dB 幅度校正，每个频点测量 30 次取平均值，再由式(3)(4) 进行幅度和相位计算，然后进行校正，并完成相频的相位模糊纠正。同时为能够完成频率范 围和步进的动态调整，以完成高精度局部扫频，由于我们的液晶屏像素不够，需要对扫频信 号的显示进行线性压缩和放大，以完整光滑的显示曲线。 三、电路与程序设计 3.1 DDS 电路设计 根据题目我们选择了 DDS 芯片 AD9854，经过认真阅读 PDF 数据手册，以及多方面查询 资料，设计了如下电路,见图 3。在 AD9854 输出参考手册经典应用电路，对输出信号进行滤 波，使得变得正弦波变得更加平滑，滤波之后再把输出峰峰值为 512mV 的信号放大 2 倍到 1.24V。 3 4 D N G T U O K L C CY1 CRY2 D N G C C V T E S E R 2 D N G DVDD DVDD DVDD 1 DVDD D N G AVDD 0 8 9 7 8 7 7 7 6 7 5 7 4 7 3 7 2 7 1 7 0 7 9 6 8 6 7 6 6 6 5 6 4 6 3 6 2 6 1 6 R1 C1 AVDD 1.3K U4 0.01U D D V D D D V D D N G D D N G D D N G D D N G D D D V D D D V D D N G D D N G A D N G A D D V A C N D N G A K L C F E R B K L C F E R T C E L E S P S / T E S E R R E T S A M A N E K L C F F I D R E T L L I F L L P D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DVDD ADDR5 ADDR4 ADDR3 ADDR2 ADDR1 ADDR0 UDCLK 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DVDD DVDD DGND DGND NC A5 A4 A3 A2 A1/SDO A0/SDIO UD CLK / I D L O H K S P B K S F G N Y E K D E P A H S / K L C S R W / B S C D R / D D V D D D V D D D V D D N G D D N G D D N G D D D V A D D V A D N G A D N G A T U O V D D V A D D V A D N G A D N G A C N R7 1.2K GND OUT1 2 3 1 R8 1.2K THS3095 U11 5 6 8 +5 7 4 -5 R9 1.2K GND P1 Q_OUT OUT2 R10 1.2K +5 7 4 -5 2 3 1 THS3095 U12 5 6 8 P2 I_OUT AVDD AGND NC NC DAC Rset DACBP AVDD AGND IOUT1 IOUTB AVDD IOUTB IOUT1 AGND AGND AGND AVDD VINN VINP AGND AVDD R6 3.9K C5 AVDD 0.1U R2 AVDD R3 24 24 AVDD 60 59 58 57 56 55 54 53 52 51 50 49 48 47 46 45 44 43 42 41 AVDD R4 51 R5 51 GND C111 2.2pF C112 12pF C113 L111 82nH L112 L113 68nH OUT1 8.2pF 68nH C114 27pF C115 47pF C116 39pF C117 22pF GND GND GND GND C121 2.2pF C122 12pF C123 L121 82nH L122 L123 68nH OUT2 8.2pF 68nH 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 2 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 3 0 4 DVDD R W D R A T A D F K S O AVDD AVDD 3.2 乘法器电路设计 AD9854 C124 27pF C125 47pF C126 39pF C127 22pF GND GND GND GND 图 3 DDS 硬件电路 要求输入信号的频率为 1MHz～40MHz，因此选用的乘法器带宽必须大于 40MHz，因此 我们选用 ADI 公司的 AD835 乘法器，其带宽为 250MHz，满足题目要求。其输出信号表达 式为 W=X*Y+Z，Z 为直流电压，用于系统调零。通过调节 R4 的阻值可使乘法器得到 0～-2.5V 3
    的偏置电压。由于乘法器容易受到干扰，必须做好电源的退耦。其原理图如图 4 所示。 3.3 滤波器设计 图 4 乘法器电路 采用二阶 RC 低通滤波器，其截至频率为 10kHz。由于前级乘法器的输出电压较小，最 大输出电压为 50mV ，末级加一增益为 16 倍的直流放大器，后送入 ADC 前级处理电路。其 电路图如图 5 所示。 3.4 程序设计 图 5 滤波器电路 系统开机后进入初始化状态，初始化后进入功能选择界面，根据不同的按键状态进入相 应的工作模式，主程序流程如图 6 所示。 图 6 软件流程图 4
    四、测试方案与测试结果 4.1 测试仪器 泰克 TDS3000 100M 2.5GS/s 示波器 安泰信 APS3003S-3D 直流稳压电源 泰克 DMM4020 五 位半数字万用表 CNT-90 频率计 秒表 超高频毫伏表 DA22A 4.2 测试方案 4.2.1 正交信号源的测试 频率测量：单片机控制 DDS 产生两路正交点屏信号，用频率计分别测量各个频点的频 率稳定度，记录实验数据。 相位测量：单片机控制 DDS 产生两路正交点屏信号，用频率计测量两路信号的相位差， 记录实验数据。 幅度测量：用示波器测量不同频率下信号的幅度，记录实验数据，并计算带内平坦度。 扫频信号测量：根据屏幕反馈回的信息，设定信号源的扫频范围及频率步进值，用示波 器测量扫频输出信号，并记录扫频时间。记录实验数据。 4.2.2 发挥部分的测试  / 。 U V, 2 输入输出阻抗测量： 输入阻抗测量：信号源输出一直流电压，并用数字万用表测量器输出电压 1U ，后串联一 已知电阻 0R ，接入到频率特性测量仪的输入端，测量输入端直流电压 1V ，重复上述操作 , 根 据 电 阻 分 压 原 理 ， 可 求 得 系 统 的 输 入 阻 抗 为 ： 一 次 可 得 另 一 组 电 压 2 R x 输出阻抗测量：示波器测量空载时的输出电压幅值 1V ，之后接一 50 欧姆的电阻并测量 输出电压幅值 2V ，则输出阻抗为： 点频测量：设定信号输出频率，并用示波器观察两路信号的幅度及相位，记录实验数据。 RLC 网络测试：单独测试 RLC 网络，接入 50 欧负载，将其接入扫频仪，观测中心频率 及有载品质因数，记录实验数据。 V U V U 2 1 1 2 V V 1 2 / xR  100  。 4.3 测试结果 4.3.1 基本要求测试 频率/MHz 1 频率稳定度 10-6 相位差/° 89 1.18 峰峰值/ 2 10-6 92 1.20 表 1 基本功能测试结果 5 10-6 90 1.19 10 10-6 90 1.18 20 10-6 90 1.17 25 10-6 89 1.19 30 10-6 91 1.18 35 10-6 88 1.17 40 10-6 90 1.18 测试结果分析：频率稳定度远远满足题目中要求的 10-4，最大相位差不差过 5°，满足题目要 求，输出信号幅度平坦度满足题目要求的 5%误差，实测完成一次扫频时间小于 2s。完成了 所有的基本部分功能。 4.3.2 发挥部分测试 输入输出阻抗：实际测量该系统的输出阻抗为 50Ω，输入阻抗为 50Ω。 点频测量：实测幅频特性及相频特性如下表 3 所示. 表 3 幅频相频特性测试结果 频率/MHz 幅度/dB 相位/° 1 -49 -88 2 -47 -56 5 -31 -45 10 -34 -6.6 5 20 -0.2 0.1 25 -48 23 30 -50 34 35 -51 56 40 -53 86.1
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