數字控制幅頻特性測試儀的技術(shù)研究

摘要：文章以ARM微處理器為核心，采用直接頻率合成技術(shù)，設計了一種低頻高精度的幅頻特性測試儀。系統以直接數字頻率合成器AD9851作為掃頻信號源，用真有效值轉換芯片AD637實(shí)現對被測網(wǎng)絡(luò )的幅頻特性的測量，經(jīng)ARM采樣與處理，最后得到被測網(wǎng)絡(luò )的幅頻特性曲線(xiàn)。實(shí)驗結果表明，本系統不僅能實(shí)現各種測試功能，而且測試頻率能提高到8MHz。因此本系統為現代電子科研實(shí)驗室提供了一種高精度和有較高實(shí)用價(jià)值的低頻幅頻特性測試儀。
關(guān)鍵詞：幅頻特性；直接數字頻率合成；真有效值；模／數轉換

0 引言
電子測量中，我們經(jīng)常會(huì )遇到對網(wǎng)絡(luò )的阻抗和傳輸特性的測量。幅頻特性就是重要的傳輸特性之一，它也是各種電路系統及電子儀器的重要性能指標，是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )性能最直觀(guān)的反映。幅頻特性測試儀被廣泛應用于電子工程等領(lǐng)域，尤其是模擬和高頻、射頻電子線(xiàn)路中。
傳統的幅頻特性測試儀大多是用LC電路構成的掃頻振蕩器，其結構復雜、體積龐大、價(jià)格昂貴、功能單一、操作不便、性?xún)r(jià)比較低。其方法是在一系列規定的頻率點(diǎn)上，逐點(diǎn)測量網(wǎng)絡(luò )增益，從而確定幅頻特性曲線(xiàn)。用這種方法得到的幅頻特性曲線(xiàn)比較精確，但其缺點(diǎn)是操作繁瑣、工作量大、容易漏測某些細節，不能反映出被測網(wǎng)絡(luò )的動(dòng)態(tài)特性。而現有的幅頻特性測試儀也不能很好地滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，要么存在設備體積大、易有故障、并且操作復雜等缺點(diǎn)，難以滿(mǎn)足尤其是現場(chǎng)自動(dòng)測試的要求，要么就是結構復雜、價(jià)格昂貴、維護困難。因此，對于數字化、智能化、高性能幅頻特性測試儀的需求量日益增大，基于此原因本文設計了基于A(yíng)RM的數字幅頻特性測試系統。

1 系統方案實(shí)現
傳統的數字幅頻特性測量?jì)x是通過(guò)測量頻率得到正弦信號的峰峰值，然后通過(guò)計算得到幅度。這樣為了保證A／D采樣的精度，一般在進(jìn)入A／D采樣之前，需要對被測信號進(jìn)行幅度調理，確保被測峰峰值在A(yíng)／D采樣的電壓范圍內。另外，進(jìn)入A／D進(jìn)行采樣的信號必須滿(mǎn)足抽樣定理，即fs≥2fi，所以在進(jìn)入A／D采樣之前必須用低通濾波器對其濾波，以防止頻譜混疊而影響測量結果。此方案具有抗干擾能力強、設計靈活、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但調試困難，A／D采樣困難且計算量大，增加了軟件難度。由于預先不知道被測網(wǎng)絡(luò )的頻響特性，故掃頻信號通過(guò)被測網(wǎng)絡(luò )后可能發(fā)生很多種未知的變化，本文采用集成真有效值變換芯片，直接輸出被測信號的真有效值。這樣可以實(shí)現對任意波形的有效值測量。系統框圖如圖1所示。

2 系統的硬件電路設計和軟件編寫(xiě)
2．1 供電電路設計
根據系統性能的要求，需要設計±5V和+3．3V的直流穩壓電源，而且要求電源的紋波應盡量的小，以減少對輸出信號的干擾。電源采用橋式全波整流、大電容濾波和三端穩壓器件穩壓的方法產(chǎn)生±5V和+3．3V直流電壓，固定輸出的三端穩壓芯片為L(cháng)M7805和LM7905。穩壓管的輸出通過(guò)電容和電感濾波；數字部分與模擬部分用電感隔離，這樣就可以得到紋波系數很小的直流電壓，其中±5V供電具體電路如圖2所示。

2．2 掃頻信號電路設計
掃頻信號源在頻率特性測試儀中有著(zhù)重要的地位，它的各項性能指標直接關(guān)系到整個(gè)測試系統所能達到的性能要求。其掃頻信號的中心頻率都應當是被測網(wǎng)絡(luò )通頻帶的中心頻率，掃頻寬度應稍大于被測網(wǎng)絡(luò )的帶寬。為此要求掃頻信號源的中心頻率及掃頻寬度均可獨立調節。而具有高集成度的DDS芯片AD9851內部包含高速、高性能D／A轉換器及高速比較器，可作為全數字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。外接精密時(shí)鐘源時(shí)，AD9851可以產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈、頻率和相位都可以編程控制且穩定性很好的模擬正弦波，這個(gè)正弦波能夠直接作為基準信號源。AD9851可直接與STM32接口，通過(guò)程序來(lái)進(jìn)行控制。實(shí)際電路中，AD9851采用高速并行接口工作方式，STM32利用并行方式對AD9851進(jìn)行控制，其頻率和相位控制字直接寫(xiě)入數據輸入寄存器中。AD9851芯片采用±5V供電，外部時(shí)鐘采用30MHz晶體，內部寄存器控制6倍頻，信號輸出為恒流源。RSET引腳用來(lái)配置其內部D／A轉換器的滿(mǎn)度輸出電流值。從AD9851的數據手冊中可知，DAC滿(mǎn)幅輸出電流為Iout=39．93／ Rset。