智能化頻率特性測試儀系統組成及應用

摘要 基于直接數字頻率合成技術(shù)的思想，采用現代數字信號處理和顯示技術(shù)，設計了一臺低成本、數字化、智能化的頻率特性測試儀。實(shí)現了對20 Hz～150 MHz范圍內任意頻段的被測網(wǎng)絡(luò )幅頻特性和相頻特性測量。完成了數據存儲、-3曲帶寬計算、峰值查找等功能，幅度檢測精度達到1dBm，相位檢測精度1°等指標。

傳統掃頻儀的信號源大多采用LC電路構成的振蕩器，大量使用分立元器件來(lái)實(shí)現各功能，顯示部分采用傳統的掃描顯示器。因此傳統結構的掃頻儀不僅結構復雜、體積龐大、價(jià)格昂貴、操作復雜，而且由于各元件分散性大，參數變化容易受外部環(huán)境變化影響，精度不高。目前，以Agilent等為代表的儀器生產(chǎn)廠(chǎng)家提供了多種高性能的頻率特性測試儀。但其產(chǎn)品主要集中在射頻、微波等高頻領(lǐng)域，中低頻段的產(chǎn)品相對缺乏。本文基于直接數字頻率合成(DDS)的技術(shù)思想，采用DSP和FPGA架構的現代數字信號處理技術(shù)，設計了一臺低成本，高度數字化和智能化的頻率特性測試儀，實(shí)現了對20 Hz～150 MHz范圍內任意頻段的被測網(wǎng)絡(luò )幅頻特性和相頻特性測量和顯示，完成了數據存儲回放和傳輸，-3 dB帶寬計算，峰值查找等功能。幅度檢測精度達到1dBm，相位檢測精度1°的指標。

1 系統組成

頻率特性分析儀主要包括控制和數據存儲處理單元、DDS信號源單元、幅度和相位檢測單元、數據采集單元、顯示及交互接口單元，系統總體框圖如圖1所示。

2 系統設計

2.1 控制與數據處理單元

ADSP—BF532和FPGA(EP1C3)是控制與數據存儲處理單元的核心。DSP通過(guò)PPI、SPI和PF接口與FPGA進(jìn)行雙向數據通信，實(shí)現鍵盤(pán)讀取，DDS掃描，A/D采集，LCD掃描等功能，通過(guò)UART單元與計算機實(shí)現數據傳輸和遠程控制。FPGA完成了TFT_LCD和VGA同步顯示時(shí)序轉換、鍵盤(pán)掃描、SPI通信和信號分配等功能。另外，DSP通過(guò)EBIU單元連接AM29LV800和MT48L32M16分別作為程序與工作狀態(tài)存儲器和數據存儲與顯示緩存。工作原理如圖2所示。

2.2 數據采集單元

數據采集單元采用多路A/D轉換器將幅度和相位的模擬電壓信號轉換為數字信號供DSP和FPGA進(jìn)行處理和傳輸，是模擬電路和數字電路之間的“橋梁”。本儀器中選用AD7655采集信號。該A/D轉換器具有4個(gè)模擬輸入通道，16位采樣精度，最高采樣率為1MHz。采用16位并行和SPI等傳輸模式。REF3125提供A/D轉換器所需的2.5 V參考電壓。

2.3 DDS信號源單元

DDS技術(shù)是一種把一系列數字量形式的信號通過(guò)DAC轉換成模擬量形式信號的合成技術(shù)。DDS技術(shù)建立在采樣定理的基礎上，它首先對需要產(chǎn)生的波形進(jìn)行采樣，將采樣值數字化后存入存儲器做為查找表，然后再通過(guò)查找表將數據讀出，經(jīng)過(guò)D/A轉換器轉換成模擬量，把存入的波形重新合成出來(lái)。雖然DDS系統的結構有很多種，但其基本的電路原理，如圖3所示。

本儀器選用的DDS芯片AD9958是一款高性能雙通道直接數字頻率合成器，具有兩個(gè)獨立的DDS核，分別具有兩個(gè)獨立的32位頻率控制字和14位相位控制字，一個(gè)10位的幅度控制字。內部集成PLL，芯片最高工作頻率500 MHz，輸出信號最高頻率可達180 MHz。DSP通過(guò)SPI和PF接口經(jīng)FPGA信號分配邏輯對AD9958進(jìn)行頻率、相位和幅度控制字的配置，如圖4所示。

AD9958采用25 MHz外部時(shí)鐘輸入，經(jīng)內部PLL倍頻后產(chǎn)生500 MHz內核工作時(shí)鐘。輸出信號為兩路同頻的正弦和余弦信號。為避免數字噪聲對信號產(chǎn)生干擾，芯片的3.3 V數字供電與模擬供電部分需采用型網(wǎng)絡(luò )隔離，并對模擬地接小電阻到地平面以隔離干擾。由于芯片輸出為電流信號，需采用51Ω上拉到1.8 V轉換為電壓信號，經(jīng)LFCN—160集成濾波器濾除高頻噪聲，并采用差分運放AD8312抵消共模噪聲。輸出信號電平范圍為-10～-3 dBm。AD9958信號輸出原理如圖5所示。

2.4 輸出電平調節單元

本儀器設計的信號源輸出電平范圍為-87～13 dBm。而前級DDS信號源單元的輸出信號電平范圍為-10～-3 dBm，因此需要對前級信號進(jìn)行電平調節。該單元的信號流圖如圖6所示。

本單元首先通過(guò)寬帶運放THS3201將前級信號電平放大到12～19 dBm。然后通過(guò)可控衰減網(wǎng)絡(luò )實(shí)現輸出-87～13 dBm范圍內的信號。通過(guò)控制接通不同的型電阻衰減網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現，如圖5所示?？煽厮p網(wǎng)絡(luò )由-8 dB、-16 dB、-32 dB和-64 dB這4種型電阻衰減網(wǎng)絡(luò )組成，通過(guò)68595驅動(dòng)繼電器TQ2組合出不同衰減倍數的衰減網(wǎng)絡(luò )。

2.5 相位檢測單元

本儀器選用AD8302構建了相位差檢測電路。AD8302可對0～2.7 GHz，-60～0 dBm范圍內的兩輸入信號之間的幅度比和相位差進(jìn)行精確測量，其中相位檢測精度可達1°。AD8302相位檢測曲線(xiàn)如圖7所示。

由圖7可知，使用單片的AD8032無(wú)法進(jìn)行-180°～180°范圍內的監相。為實(shí)現-180°～180°監相，儀器采用I、Q正交檢測方法。即DDS信號源輸出兩路同頻正交信號，該正交信號分別通過(guò)兩片8302與待測信號分別進(jìn)入兩片AD8302監相，則可得到兩條相位差為90°相位曲線(xiàn)，如圖8所示。由此實(shí)現-180°～180°范圍檢測。