基于DSP的低頻頻率特性測試儀

摘要：傳統的頻率特性測試儀不僅價(jià)格昂貴，且得不到相頻特性，更不能保存頻率特性圖和打印頻率特性圖，也不能與計算機接口，給使用者帶來(lái)了諸多不便。而本文采用DDS技術(shù)作為掃頻信號源；同時(shí)采用了集成模擬芯片AD8302對幅度和相位進(jìn)行檢測，用DSP芯片TMS320VC5409和CPLD芯片EPM7128進(jìn)行測量控制和數據處理，人杌接口部分是利用單片機AT89C51實(shí)現，并配有打印機接口和串行通信接口。系統基本達到了全數字化，這有利于縮小儀器的體積，減輕重量，降低成本，并能較好的顯示幅頻特性和相頻特性曲線(xiàn)。
關(guān)鍵詞：DDS；DSP；CPLD；頻率特性

在現代電子測量中掃頻測量占有重要地位，頻率特性測試儀運用掃頻技術(shù)可以對被測網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行快速的動(dòng)態(tài)測量，得到被測網(wǎng)絡(luò )傳輸特性的實(shí)時(shí)測量結果。以往的模擬掃頻儀大多是用LC電路構成的掃頻振蕩器，其體積龐大，結構復雜，價(jià)格昂貴，而且只能顯示幅頻特性曲線(xiàn)，不能得到相頻特性曲線(xiàn)，給使用者帶來(lái)諸多不便。隨著(zhù)電子科技的飛速發(fā)展，數字化、網(wǎng)絡(luò )化、信息化，傳統的頻率特性測試儀已經(jīng)無(wú)法完全滿(mǎn)足科研人員的需要。因此，對于數字化、智能化高性能頻率特性測試儀的需求量日益增大。

1 系統總體方案設計
頻率特性測試系統一般包含測試信號源、被測網(wǎng)絡(luò )、檢波及顯示3個(gè)部分。本系統根據所要完成的測試功能及技術(shù)指標，該系統應由掃頻源、幅度相位測量電路、控制及運算部分、人機接口單元幾部分組成。系統總體方框圖如圖1所示。

信號源電路由信號發(fā)生電路和信號調理電路兩部分組成。在本系統中信號發(fā)生電路采用DDS技術(shù)(即直接數字頻率合成技術(shù))實(shí)現，用于產(chǎn)生頻率、持續時(shí)間等均可控的掃頻信號，并能夠滿(mǎn)足一般用戶(hù)對頻率范圍的要求；信號調理電路主要是對信號中的噪聲進(jìn)行抑制并對輸出信號的功率起到控制作用。
增益相位檢測電路是為了檢測被測網(wǎng)絡(luò )兩端的幅度差和相位差。先對被測網(wǎng)絡(luò )兩端的信號進(jìn)行預處理后對其進(jìn)行模擬鑒幅和鑒相，然后把幅度差和相位差的模擬量由ADC轉化為數字量，送給控制及數據處理電路進(jìn)行分析處理。
控制及數據處理電路要完成邏輯控制、數據處理和與人機接口部分通信3個(gè)主要功能，由DSP和CPLD組成。主要用于控制整個(gè)系統的協(xié)調工作，并對測量及人機接口部分來(lái)的數據進(jìn)行分析處理。
圖形顯示及接口電路負責接收各種指令和顯示測量結果，例如，測量時(shí)掃頻信號所需要的起始頻率、終止頻率、頻率問(wèn)隔、單頻點(diǎn)持續時(shí)間、信號功率等參數，以及測量完成后顯示特性曲線(xiàn)時(shí)顯示方式的設置，如：刻度大小選擇、文字標注方式、坐標選擇等。

2 系統硬件設計
系統由掃頻源、幅度相位測量電路、控制及運算部分、人機接口單元幾部分組成。
2．1 掃頻信號源設計
直接選用DDS技術(shù)設計掃頻信號源。從本設計要求低頻和成本考慮，這里選擇AD7008系列中20 MHz芯片。掃頻信號源框圖如圖2所示。由于A(yíng)D7008內部沒(méi)有時(shí)鐘發(fā)生電路，所以需要外部時(shí)鐘源提供時(shí)鐘信號，本系統采用NBC12439為AD7008提供時(shí)鐘信號。

由于A(yíng)D7008輸出信號的幅度不能達到系統所要求的-55～+18 dBm的范圍，故需要對信號進(jìn)行放大，放大電路的設計較為簡(jiǎn)單，為了便于對輸出信號的功率控制使用了可控增益放大器，易于數字控制增益的大??；又因為輸出信號的最大功率要達到+18 dBm且信號頻率最高達5 MHz，普通的運放難以達到要求，故使用射頻放大器來(lái)提升信號的輸出功率。AD7008所產(chǎn)生的信號直接由器件內部的DAC輸出，內部不含低通濾波器，故要對其輸出信號進(jìn)行濾波處理。
2．2 幅度相位檢測電路的設計
介紹用幅度相位檢測芯片AD8302來(lái)檢測被測網(wǎng)絡(luò )的幅度和相位，及其信號調理電路，以及模擬／數字轉換電路和相位的極性判斷電路。由于增益相位檢測器AD8302要求被檢測的兩路信號功率在-60～0dBm范圍內，為防止損壞器件，需對兩路信號進(jìn)行功率調整，本系統使用了易于數字控制增益的可控增益放大器AD8369和對數放大器AD8307構成一個(gè)反饋系統進(jìn)行自動(dòng)調整。對數放大器AD8307可以對信號的幅度進(jìn)行檢測，通過(guò)被檢測到的幅度范圍，系統調整可控增益放大器AD8369的放大倍數，使增益相位檢測器AD8302能夠有效地對被測網(wǎng)絡(luò )的增益和相位進(jìn)行檢測。將模擬增益和相位檢測結果轉化為數字量的方法是采用ADC，由于檢測結果是個(gè)慢變信號，因此對ADC的速度要求較低，本系統中具有3路模擬量要轉化為數字量，因此選用了多通道模數轉換器件——ADS8364。幅度相位檢測電路的硬件設計方案如圖3所示。

另外，由于A(yíng)D8302檢測的相位是0～180°之間，不能給出相位是超前還是滯后，所以需要相位極性判斷電路對相位進(jìn)行判斷，其電路主要由分頻器電路、施密特觸發(fā)器、D觸發(fā)器等組成。
2．3 數據處理及控制電路設計
數據處理及控制單元主要完成通信、數據處理、功能控制等工作。主要由TMS320VC5409、晶體振蕩器、電源控制、WATCHDOG和CPLD等器件組成。