基于DSP的低頻頻率特性測試儀

摘要：傳統(tǒng)的頻率特性測試儀不僅價(jià)格昂貴，且得不到相頻特性，更不能保存頻率特性圖和打印頻率特性圖，也不能與計(jì)算機(jī)接口，給使用者帶來了諸多不便。而本文采用DDS技術(shù)作為掃頻信號源；同時(shí)采用了集成模擬芯片AD8302對幅度和相位進(jìn)行檢測，用DSP芯片TMS320VC5409和CPLD芯片EPM7128進(jìn)行測量控制和數(shù)據(jù)處理，人杌接口部分是利用單片機(jī)AT89C51實(shí)現(xiàn)，并配有打印機(jī)接口和串行通信接口。系統(tǒng)基本達(dá)到了全數(shù)字化，這有利于縮小儀器的體積，減輕重量，降低成本，并能較好的顯示幅頻特性和相頻特性曲線。
關(guān)鍵詞：DDS；DSP；CPLD；頻率特性

在現(xiàn)代電子測量中掃頻測量占有重要地位，頻率特性測試儀運(yùn)用掃頻技術(shù)可以對被測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速的動態(tài)測量，得到被測網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的實(shí)時(shí)測量結(jié)果。以往的模擬掃頻儀大多是用LC電路構(gòu)成的掃頻振蕩器，其體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，而且只能顯示幅頻特性曲線，不能得到相頻特性曲線，給使用者帶來諸多不便。隨著電子科技的飛速發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化，傳統(tǒng)的頻率特性測試儀已經(jīng)無法完全滿足科研人員的需要。因此，對于數(shù)字化、智能化高性能頻率特性測試儀的需求量日益增大。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
頻率特性測試系統(tǒng)一般包含測試信號源、被測網(wǎng)絡(luò)、檢波及顯示3個部分。本系統(tǒng)根據(jù)所要完成的測試功能及技術(shù)指標(biāo)，該系統(tǒng)應(yīng)由掃頻源、幅度相位測量電路、控制及運(yùn)算部分、人機(jī)接口單元幾部分組成。系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。

信號源電路由信號發(fā)生電路和信號調(diào)理電路兩部分組成。在本系統(tǒng)中信號發(fā)生電路采用DDS技術(shù)(即直接數(shù)字頻率合成技術(shù))實(shí)現(xiàn)，用于產(chǎn)生頻率、持續(xù)時(shí)間等均可控的掃頻信號，并能夠滿足一般用戶對頻率范圍的要求；信號調(diào)理電路主要是對信號中的噪聲進(jìn)行抑制并對輸出信號的功率起到控制作用。
增益相位檢測電路是為了檢測被測網(wǎng)絡(luò)兩端的幅度差和相位差。先對被測網(wǎng)絡(luò)兩端的信號進(jìn)行預(yù)處理后對其進(jìn)行模擬鑒幅和鑒相，然后把幅度差和相位差的模擬量由ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送給控制及數(shù)據(jù)處理電路進(jìn)行分析處理。
控制及數(shù)據(jù)處理電路要完成邏輯控制、數(shù)據(jù)處理和與人機(jī)接口部分通信3個主要功能，由DSP和CPLD組成。主要用于控制整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，并對測量及人機(jī)接口部分來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。
圖形顯示及接口電路負(fù)責(zé)接收各種指令和顯示測量結(jié)果，例如，測量時(shí)掃頻信號所需要的起始頻率、終止頻率、頻率問隔、單頻點(diǎn)持續(xù)時(shí)間、信號功率等參數(shù)，以及測量完成后顯示特性曲線時(shí)顯示方式的設(shè)置，如：刻度大小選擇、文字標(biāo)注方式、坐標(biāo)選擇等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)由掃頻源、幅度相位測量電路、控制及運(yùn)算部分、人機(jī)接口單元幾部分組成。
2．1 掃頻信號源設(shè)計(jì)
直接選用DDS技術(shù)設(shè)計(jì)掃頻信號源。從本設(shè)計(jì)要求低頻和成本考慮，這里選擇AD7008系列中20 MHz芯片。掃頻信號源框圖如圖2所示。由于AD7008內(nèi)部沒有時(shí)鐘發(fā)生電路，所以需要外部時(shí)鐘源提供時(shí)鐘信號，本系統(tǒng)采用NBC12439為AD7008提供時(shí)鐘信號。

由于AD7008輸出信號的幅度不能達(dá)到系統(tǒng)所要求的-55～+18 dBm的范圍，故需要對信號進(jìn)行放大，放大電路的設(shè)計(jì)較為簡單，為了便于對輸出信號的功率控制使用了可控增益放大器，易于數(shù)字控制增益的大??；又因?yàn)檩敵鲂盘柕淖畲蠊β室_(dá)到+18 dBm且信號頻率最高達(dá)5 MHz，普通的運(yùn)放難以達(dá)到要求，故使用射頻放大器來提升信號的輸出功率。AD7008所產(chǎn)生的信號直接由器件內(nèi)部的DAC輸出，內(nèi)部不含低通濾波器，故要對其輸出信號進(jìn)行濾波處理。
2．2 幅度相位檢測電路的設(shè)計(jì)
介紹用幅度相位檢測芯片AD8302來檢測被測網(wǎng)絡(luò)的幅度和相位，及其信號調(diào)理電路，以及模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換電路和相位的極性判斷電路。由于增益相位檢測器AD8302要求被檢測的兩路信號功率在-60～0dBm范圍內(nèi)，為防止損壞器件，需對兩路信號進(jìn)行功率調(diào)整，本系統(tǒng)使用了易于數(shù)字控制增益的可控增益放大器AD8369和對數(shù)放大器AD8307構(gòu)成一個反饋系統(tǒng)進(jìn)行自動調(diào)整。對數(shù)放大器AD8307可以對信號的幅度進(jìn)行檢測，通過被檢測到的幅度范圍，系統(tǒng)調(diào)整可控增益放大器AD8369的放大倍數(shù)，使增益相位檢測器AD8302能夠有效地對被測網(wǎng)絡(luò)的增益和相位進(jìn)行檢測。將模擬增益和相位檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的方法是采用ADC，由于檢測結(jié)果是個慢變信號，因此對ADC的速度要求較低，本系統(tǒng)中具有3路模擬量要轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，因此選用了多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器件——ADS8364。幅度相位檢測電路的硬件設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

另外，由于AD8302檢測的相位是0～180°之間，不能給出相位是超前還是滯后，所以需要相位極性判斷電路對相位進(jìn)行判斷，其電路主要由分頻器電路、施密特觸發(fā)器、D觸發(fā)器等組成。
2．3 數(shù)據(jù)處理及控制電路設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)處理及控制單元主要完成通信、數(shù)據(jù)處理、功能控制等工作。主要由TMS320VC5409、晶體振蕩器、電源控制、WATCHDOG和CPLD等器件組成。