简易频率特性测试仪最终报告.docx

2013年全国大学生电子设计竞赛简易频率特性测试仪（E）O0Q2013年9月7日该频率特性测量仪采用DDS控制核心外加乘法电路、滤波电路、AD转换电 路、以及测量电路主要由正交扫频信号发生器、乘法器、低通滤波器、AD转 换、显示等功能模块组成在本系统中利用51单片机控制DDS芯片AD9854实现 信号发生，从而达到输出频率、相位、幅度可控的正交扫频信号然后，制作一 个频率特性测试仪，用来测量产生的扫频信号的有关信息，并正确显示为了了 解检测电路的特性，最后做一个RLC被测网络使用测量电路测量被测网络的有 关电器参数，同时可以通过对电路优化来提高该测量仪的测量精度关键字：DDS AD9854正交扫频1系统方案 11.1正交扫频信号源的论证与选择 11.2相频特性的论证与选择 21.3幅频特性的论证与选择 32系统理论分析与计算 42.1 系统总体方案的分析 42.1.1采用DSP方式 42.1.2直接利用已有信号源给系统，比较输入输出 52.2有关零中频原理的计算 53电路与程序设计 63.1电路的设计 63.1.1系统总体框图 63.1.2扫频信号子系统框图与电路原理图 73.2程序的设计 83.2.1程序功能描述与设计思路 83.2.2程序流程图 94测试方案与测试结果 10附录1： 电路原理图 11附录2：源程序 12参考文献 18简易频率特性测试仪（E题）【本科组】1系统方案本系统主要由信号发生器模块、乘法电路模块、解调模块、显示测量模块组 成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1正交扫频信号源的论证与选择方案一：单片函数发生器利用单片函数发生器配合外部分立元件输出频率，通过调整外部元件可改变 输出频率缺点：发生器输出频率稳定度差、精度低、抗干扰能力低、灵活性差, 成本也咼方案二：锁相环频率合成技术晶振►鉴相器 > 低通滤波器-工 1程序分频器>压控振荡器节七图1.1 PPL原理图通过改变程序分频器的分频比，则可改变压控振荡器的输出频率fo,从而 获得大量可供利用的频率稳定度等同于参考频率的频率点，这里输出频率fo只 能以参考频率fr为步长进行变化缺点：现有集成PLL的VCO 一般都产生方波, 而不是正弦波，而且在不改变VCO电容的情况下，要达到1MHZ〜40MHZ的频率 范围有很大困难，所以我们不予采用方案三：DDS产生编程控制的信号源将输出波形的一个完整周期幅度值按相位步进顺序量化存储于EEPROM中， 利用相位累加技术生成地址查询高速存储器中存储的波形幅值，再以均匀速率把 这些样本输出到数模转换器变换成模拟信号，由一个周期输出样本个数决定输出 频率的大小缺点：DDS可以高精度与高纯度的频率信号，理论上只要累加器的位数足够多，可以实 现任意小的频率步进。

频率分辨率很高，离散输出已十分接近连续变化对相位 累加器预置累加初值可以很方便地实现精密相位调节综合以上三种方案，选择方案三1.2相频特性的论证与选择方案一：积分法将异或鉴相器的异或输出脉冲送至积分器积分，当积分电压达到一定值时再 通过一个回路放电，并测量充放电的时间Tl, T2根据其比值算出其相位差 缺点：这种方案测量精度高且与被测信号的频率关系不大，可以测量高频信号间 的相位差但这种方法对积分电路和充放电时间的要求较高，因此不采用方案二：计数法将输入和输出信号分别经过过零比较器后对其输出方波进行异或操作所得 脉冲的占空比既能反映被测信号相位大小测量异或脉冲的周期为T,假设其高 点平时间为Th,给一个基准高频脉冲，T与Th内基准脉冲的数目分别为M、N， 则信号的相位差则为〃 = (N/M) *360 °该方案实现电路简单，易于ARM编程实现方案三：低通滤波器将输入和输出信号分别经过过零比较器后对其输出方波进行异或操作将此 异或输出信号微分得到两个对应被测信号负向过零瞬间的尖脉冲，利用非饱和型 高速双稳态电路被这两组负脉冲所触发，输出周期为T、宽度为TX的方波，若 方波幅度为Ug,则此方波的平均值即直流分量可得。

用低通滤波器将方波中的 基波和谐波分量全部滤除后，输出电压即直流电压上式中T为被测信号的周期, (D (° T =^x = = ^r x T = x TTX由两信号的相位差貲决定TX与°x的关系为：x w 2/ 2冗 360若A/D的量化单位取为Ug/3600,则A/D转换结果即为貲的度数最终我们选择方案三1.3幅频特性的论证与选择Uout由电压跟随器和二极管电路组成，其工作原理为：当输入电压正半周通过 时，检波管导通，对电容C充电，使电容上的电压逐渐趋近于峰值电压只要 RC足够大，可以认为其输出的直流电压数值上十分接近于交流电压的峰值而 在其它时段电容C上的电压将对电阻R放电利用检波二极管对输出信号检测， 得到与信号峰值成比例关系的直流信号，在经过运算放大器调整比例系数以便于 单片机采样方案说明：此法检测的信号范围小，但精度高,能够满足该系统的幅频特性的测 试要求并且电路简单，经典易用但是本题由于经过带阻网络，并且扫频变化 很快，所以要求检测能够很快跟随，这点很难实现方案二：基于AD637的有效检测+ 1210uF-12V24KQ10uF24KQBUFFINBUFFOUTNCVinCOMNCAD637 打OFFSET+VsCS-VsINPUTVoutdBOUTCAV1141323128 45^ 611一 1210 19 -12V+ 12VIn Put-12V0.22uF-h 图1・4基于AD637的有效值检测电路采用集成真有效值变换芯片，测量被测信号的真有效值，然后换算为幅值这 样可以实现对正弦波的幅值测量。

AD637是一块高精度单片真有效值转换器，计 算各种复杂波形的真有效值，采用了峰值系数补偿，量程在0~7V范围内可调， 在测量峰值系数高达10的信号时附加误差仅为1%而且外围元件少，频带宽， 频带宽度在2V输入时可达8MHZ方案说明：芯片AD637精度很高，稳定性好，快速变化能力比方案一强 综合以上两种方案，选择方案二2系统理论分析与计算2.1系统总体方案的分析2.1.1釆用DSP方式首先给被测网络一个能量脉冲信号X(t),然后分别对被测网络的输出Y(t) 和原信号X(t)进行采样，通过对采样数据进行FFT而分别得到Y(jw)和X( jw), 两者的比值即为H (jw)当输入为单位冲击函数5(t)时，则输出为系统的单位 冲激响应h⑴，由于Eg)恒等于1，于是就有 H ( j« ) = J j h (t) e -j由此可得幅频特性和相频特性完整的信息方案说明：采用这种方法时要制作冲激响应5 (t)，并对输出响应进行数据采 集，再对采集的数据进行FFT以得到H (j)但在实际应用中，不可能得到理想 的5 (t)脉冲，虽然脉冲信号足够窄的信号可以代替§(t)，但是比较难以获得而 且此测试方法对软件的计算能力要求比较高，必须采用微机系统，故不采用。

2・1・2直接利用已有信号源给系统，比较输入输出首先设计一个扫描信号源，输出频率可步进的正弦信号，作为被测网络的输 入信号Vi,网络的输出信号为Vo,信号源输出的频率按步进值递增，在各个频 率点上，通过对幅度有效值的测量和A/D就可以得到Vo和Vi的有效值，两者 之比就是该点的频率响应；对Vo和Vi进行过零比较、整形，再进行相位差的测 量Vi的上升沿启动计数，Vo的上升沿停止计数，得到的时间值比上信号的周 期，就是该点的相位响应方案说明：该方案可利用ARM工具，减少了硬件电路，并且频率可调的信号易 于得到，可实现性明显比方案一高所以，综合比较，最终选择方案二2.2有关零中频原理的计算1非零中频解调器所遇到的问题非零中频接收机又称超外差式接收机(He terodyne Receiver)，一般要几 次下变频的零中频在中频完成解调在这种接收机的设计中存在以下几个主要问 题：1.1镜像频率的抑制下变频过程中会产生有关位于fc-2fi的镜像频率，在混频之前必须把它抑制 掉这要采用高频滤波器实现只有当中频很高，镜像与载波相隔很远时才能实 现但这时，却不能把临频道干扰有效地抑制掉即临频道干扰的抑制和镜频抑 制互为矛盾。

即使镜频与载波相隔很近(例如：fc/fi=10)，对高频滤波器的要 求也很高，一般要有很高的Q值(接近50)，而且阶数也很高(6阶才可以达到 60 —70dB的镜频抑制度)1.2镜频的抑制镜频的抑制可以用I/Q正交结构实现，但是要求I/Q幅度一致，相位正交， 例如％5的幅度不平衡和3度的相位不正交时，镜频抑制度约在26dB，要达到 60dB的镜频抑制度，相位不正交性要小于0.3度，一般集成电路很难实现1.3集成度低混频器之后的临频道干扰抑制滤波器也要很高的Q值和阶数，这样的镜频抑 制和临频道抑制滤波器难以集成一般要用分离元件构成造成体积大，费用较 高1.4阻抗匹配困难由于镜频滤波器难以集成，低噪声放大器后面要跟一个50Q的负载，这又要 在噪声与线性度之间进行权衡2零中频解调的优点零中频（Zero-IF）解调又称为直接下变频（Direct-Conversion）解调， （如图所示），方法是将信号从载波直接变频到基带这时中频为零，镜频和信 号自身重叠一起，此时要采用I/Q正交结构来抑制镜频图2.1零中频解调的基本原理零中频解调的主要优点是：•临频道抑制不须要高Q的滤波器，低通滤波器可以用模拟集成电路实现; 零中频解调器与非中频解调器的比较3•低噪声放大器后不须要50Q的负载；・I/Q支路可以直接A/D，用DSP实现解调器；•硬件消耗少，集成度高。

3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图本系统采用单片机驱动AD8954 DDS芯片，产生两路信号、一路正弦一路余 弦配合后边的乘法电路，调制解调电路、低通滤波电路、ADC模数转换电路最 后运用程序驱动配合外围电路和示波器进行幅频特性的分析系统总体框图如图 6所示图3.1系统总体框图3.1.2扫频信号子系统框图与电路原理图DVDD — DVDDi 二 a :--C-- uUUA Q§ Q§ Lflozno>62334斗572 6>17S77 1D79DR415DIG16DR217DR1ISDRO19CLK10DR5 1 斗DVDDD6 D5D4 D3D2 DIDODVDD DVDD DGND DGND NCA5 A4A3A2 Al.SDO AO/SDIO UDGLKCM5D5?DVDDQNO0.01UOS-5HU£aXSOB§T3S 田 SHHSHH 禹 SWiQ§Q>Q>§§§§Q>C1AUQ§UNQ§^XX DKIAH5I 03dQ>Q>Q HSyOH 5TOS2呂DVDD 宁二AVDD= AVDD =。