基于89C55和FPGA的頻率特性測試儀

摘要：為了能夠直接顯示待測網(wǎng)絡(luò )的幅頻相頻特性，設計了一個(gè)以89C55和FPGA構成的最小系統為控制核心的頻率特性測試儀。系統基于DDS(直接數字頻率合成)原理和多周期同步計數相位測量法，由信號發(fā)生器，被測雙T網(wǎng)絡(luò )，真有效值檢波，相位檢測，LCD顯示及幅頻特性曲線(xiàn)顯示等部分構成。其中，信號發(fā)生和相位檢測在FPGA內部實(shí)現。用戶(hù)可通過(guò)按鍵輸入需求，頻率特性曲線(xiàn)實(shí)時(shí)顯示于示波器上。整個(gè)系統性能穩定，界面友好，操作簡(jiǎn)單，實(shí)現了數字化頻率特性分析。
關(guān)鍵詞：89C55；FPGA；DDS；真有效值檢波；相位測量

頻率特性是一個(gè)系統(或元件)對不同頻率輸入信號的響應特性，是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )最重要的特性之一。幅頻特性和相頻特性綜合稱(chēng)為頻率特性。測量頻率的方法有點(diǎn)頻法和掃頻法。傳統的模擬式掃頻儀價(jià)格昂貴、體積龐大，不能直接得到相頻特性，給使用帶來(lái)諸多不便。為此，設計了數字掃頻式頻率特性測試儀。

1 方案論證與選擇
1．1 方案的選擇
1．1．1 信號發(fā)生模塊
方案1：采用模擬分立元件或單片壓控函數發(fā)生器?？赏瑫r(shí)產(chǎn)生正弦波、方波、三角波，但由于元件分散性太大，產(chǎn)生的頻率穩定度較差、精度低、波形差，不能實(shí)現任意波形輸出。
方案2：采用傳統的直接頻率合成器。這種方法能實(shí)現快速頻率變換，具有低相位噪聲以及所有方法中最高的工作頻率。但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節，導致直接頻率合成的結構復雜，并且它也無(wú)法實(shí)現任意波形輸出。
方案3：采用鎖相式頻率合成器。鎖相式頻率合成是將一個(gè)高穩定度和高精度的標準頻率經(jīng)過(guò)加減乘除的運算產(chǎn)生同樣穩定度和精確度的大量離散頻率的技術(shù)，它在一定程度上解決了既要頻率穩定精確，又要頻率在較大范圍可變的矛盾。但由于鎖相環(huán)本身是一個(gè)惰性環(huán)節，鎖定時(shí)間長(cháng)，故頻率轉換時(shí)間長(cháng)，頻率受限。更重要的弱點(diǎn)是，不能實(shí)現任意波形的功能。
方案4：采用直接數字頻率合成器(DDFS)。DDFS技術(shù)以Nyquist時(shí)域采樣定理為基礎，在時(shí)域中進(jìn)行頻率合成，它可以快速改變頻率，并且通過(guò)更換波形數據可以實(shí)現任意波形功能。DDFS相對帶寬高，輸出相位連續，頻率、相位和幅度均可以實(shí)現程控。充分利用FPGA內部資源，在其內設置所有邏輯電路實(shí)現DDS合成，理論上可達MHz，100 kHz的頻段要求很容易實(shí)現，而且省去大部分硬件，只需D／A轉換輸出，避免硬件電路的分部影響。
為盡量減輕硬件負擔，充分利用數字資源，在滿(mǎn)足應用要求的基礎上，選擇方案4，在FPGA內部實(shí)現頻率合成。
1．1．2 被測網(wǎng)絡(luò )
方案1：直接利用阻容雙T網(wǎng)絡(luò )?？梢酝ㄟ^(guò)改變電容電阻的參數改變中心頻率，但其傳遞函數形式已經(jīng)固定，帶寬大概是中心頻率的4倍，Q值固定為0．25，陷波效果較差。
方案2；采用改進(jìn)雙T網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )輸出經(jīng)過(guò)射級跟隨器反饋回網(wǎng)絡(luò )，可以限制帶寬，容易實(shí)現應用要求。為此選擇方案2。
1．2 系統總體實(shí)現方框圖
系統方框圖如圖1。