2013年全国大学生电子设计竞赛E题：简易频率特性测试仪.pdf

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1、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I 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1M40MHz 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、

2、DDS II 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 2.4ADC 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 .

3、6 1 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

4、 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-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：

5、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 系统原理框图正交扫频信号源被测网络低通ADCADC低通测量显示A

6、cos tAsintIQ2 2()cos()|()|cos()1|()|cos()2vvI tLPF AtA wAtA w A（1）()sin()|()|cos()12|()|sin()2Q tLFP AtAv wAtA w Av（2）22|vAIQ（3）tan()QarcI（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51，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

7、 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140MHzfMHz，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。5NfcTc(5)本设计中扫频步进取100KHz，140MHzfMHz,Tc=2s 则 N=390，则 fc=975Hz，为保证余量，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

8、，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 被测网络设计被测网络为LC 串联谐振网络，中心频率020fMHz，有载品质因素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。100iOrRR，由式(6)(7)可得电感和电容的取值。4003.18606.28 20 10QrLuH(6)112060400 6.

9、28 20 10CpFQr(7)取3.3LuH,调节(030)CpF，使得满足要求，仿真得其频率特性如图2 所示。3 图 2 RLC 谐振网络频率特性2.6 特性曲线显示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

10、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。D71D62D53D44D35D26D17D08DVDD9DVDD10DGND11DGND12NC13A514A415A316A217A1/SDO18A0/SDIO19UD CLK20WR/SCLK21RD/CSB22DVDD

11、23DVDD24DVDD25DGND26DGND27DGND28FSK/BPSK/HOLD29SHAPEDKEYING30AVDD31AVDD32AGND33AGND34NC35VOUT36AVDD37AVDD38AGND39AGND40AGND41VINP42VINN43AVDD44AGND45AGND46AGND47IOUT148IOUTB49AVDD50IOUTB51IOUT152AGND53AVDD54DACBP55DAC Rset56NC57NC58AGND59AVDD60PLLFILLTER61AGND62NC63DIFFCLKENA64AVDD65AGND66AGND67REFC

12、LKB68REFCLK69S/PSELECT70MASTERRESET71DGND72DVDD73DVDD74DGND75DGND76DGND77DGND78DVDD79DVDD80U4AD9854DVDDD0D1D2D3D4D5D6D7UDCLKADDR0ADDR1ADDR2ADDR3ADDR4ADDR5WRRDDVDDAVDDAVDDFDATAOSKAVDDAVDDAVDDAVDDC50.1UAVDDDVDDDVDDRESETGNDGNDAVDDC10.01UAVDDDVDDVCC1CLKOUT2GND3GND4CY1CRY2DVDD1.3KR124R224R351R451R5P2I_OU

13、TP1Q_OUTGND3.9KR62.2pFC11182nHL11168nHL11268nHL11312pFC1128.2pFC11327pFC11447pFC11539pFC11622pFC117GNDGNDGNDGND2.2pFC12182nHL12168nHL12268nHL12312pFC1228.2pFC12327pFC12447pFC12539pFC12622pFC127GNDGNDGNDGND85234671U11THS3095+5-51.2KR71.2KR8GNDOUT1OUT185234671U12THS3095+5-51.2KR91.2KR10GNDOUT2OUT2图 3

14、DDS 硬件电路3.2 乘法器电路设计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0-2.5V4 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。图 4 乘法器电路3.3 滤波器设计采用二阶 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

15、。其电路图如图5 所示。图 5 滤波器电路3.4 程序设计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。开始界面信号源测试电平校正0dB校正点频测量扫频测量结束功能选择初始化图 6 软件流程图5 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

16、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，重复上述操作一 次 可 得 另 一 组 电 压22UV,根 据 电 阻 分 压 原

17、 理，可 求 得 系 统 的 输 入 阻 抗 为：/x2112RV UV U。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：12100/xRVV。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。4.3 测试结果4.3.1 基本要求测试表 1 基本功能测试结果频率/MHz 1 2 5 10 20 25 30 35 40 频率稳定度10-610-610-610-610-610-610-61

18、0-610-6相位差/89 92 90 90 90 89 91 88 90 峰峰值/1.18 1.20 1.19 1.18 1.17 1.19 1.18 1.17 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50，输入阻抗为50。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 1 2 5 10 20 25 30 35 40 幅度/dB-49-

19、47-31-34-0.2-48-50-51-53 相位/-88-56-45-6.6 0.1 23 34 56 86.1 6 测试结果分析：幅频特性测量结果误差的绝对值0.5dB,相频测量误差的绝对值5，完全题目中的要求。RLC 网络测量：实测 RLC 幅频特性曲线，其中心频率为20MHz，有载品质因数为4.01，满足题目中的要求。扫频测量结果：根据实际测量结果，该系统可以实现题目发挥部分的要求。其幅频特性曲线及相频特性曲线如下图7 所示，实测结果与仿真结果基本吻合。图 7 实测幅频、相频特性曲线五、总结经过四天三夜的艰苦奋斗，我们团队完成了本题的实物制作。系统是以STM32 单片机为核心去控制

20、DDS 芯片 AD9854 产生两路正交信号，信号经过滤波器之后分别于与被测网络输出的信号相乘，经过低通滤波和放大得到两路直流电压I、Q 供 ADC 采集，单片机根据I、Q 的电压值计算出被测网络输出信号的幅度和相位，根据按键的不同选择实现相应功能，如点频测量、扫频测量等，并且能够在屏幕上绘制出被测网络的幅频特性和相频特性曲线，人机交互友好，界面显示美观。根据实际测试结果，我们完成了题目的要求。参考文献：1 童诗白，华成英，模拟电子技术基础（第四版），高等教育出版社，2008 年版.2 阎石，数字电子技术基础（第五版），高等教育出版社，2011 重印.3 叶金来，黄洁，江桦，中频信号正交解调原理实现，福建工程学院学报，2004.4 AD9854 datasheet.