基于單片機和FPGA的頻率特性測試儀的設計

1 引言
頻率特性是網(wǎng)絡(luò )的性能最直觀(guān)反映。頻率特性測試儀是測量網(wǎng)絡(luò )的幅頻特性和相頻特性，并顯示相應曲線(xiàn)的一種快速、方便、動(dòng)態(tài)、直觀(guān)的測量?jì)x器，可廣泛應用于電子工程領(lǐng)域。
該測試儀以?huà)哳l外差為基本原理，并以單片機和FPGA構成的最小系統為控制核心，很好地完成對有源雙T網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行頻率在100 Hz～100 kHz范圍內的幅頻響應和相頻響應特性的測試，并實(shí)現在通用數字示波器上同時(shí)顯示幅頻和相頻響應特性曲線(xiàn)。

2 系統設計方案
2．1 總體方案
該設計采用單片機和FPGA結合的方式。將輸出頻率可步進(jìn)的正弦信號的掃描信號源作為被測網(wǎng)絡(luò )的輸入信號Vi，則被測網(wǎng)絡(luò )的輸出信號Vo為頻率可步進(jìn)的信號。通過(guò)測量各頻率點(diǎn)的幅度就可得到Vo和Vi的有效值，兩者之比就是該點(diǎn)的幅度頻率響應；對Vo和Vi進(jìn)行過(guò)零比較、整形，再送到FPGA測量相位差。 Vi的上升沿啟動(dòng)計數，Vo的上升沿停止計數，所得時(shí)間值與信號周期之比，就是該點(diǎn)的相位頻率響應。此方案采用FPGA測量相位差，而且便于制作DDS掃描信號源。
2．2 掃頻信號源設計方案
該設計采用直接數字合成(DDS)信號源。DDS信號源是由數字量控制的頻率源，如圖 1所示，其具體實(shí)現過(guò)程是：將輸出波形一個(gè)完整周期的幅度值按相位步進(jìn)順序量化存儲于雙端口RAM中，按一定的地址間隔讀出，經(jīng)D／A轉換成模擬信號，再經(jīng)低通濾波器濾去D／A轉換帶來(lái)的小臺階和數字電路產(chǎn)生的毛刺，即可獲得高精度、高純度的正弦信號。理論上只要累加器的位數足夠多，便可實(shí)現任意小的頻率步進(jìn)，且頻率分辨率很高，十分接近于連續變化。通過(guò)預設相位累加器初值可很方便地實(shí)現精密相位調節。

2．3 幅度測量模塊的方案
該模塊采用集成真有效值變換器件。測量被測信號的真有效值，然后將其換算為幅值。即可實(shí)現對正弦波的幅值測量。該方案硬件、軟件都很簡(jiǎn)單，而且精度高，效果理想。