简易频率特性测试仪.docx

简易频率特性测试仪（E题）2013年全国电子设计大赛摘要：本频率特性测试仪由AD9854为DDS频率合成器，MSP430为主控制器，根据零中频正交解调原理对被测网络针对频率特性进行扫描测量，将DDS输出的正弦信号输入被测网络，将被测网络的出口信号分别与DDS输出的两路正交信号通过模拟乘法器进行乘法混频，通过低通滤波器取得含有幅频特性与相频特性的直流分量，由高精度A/D转换器传递给MSP430主控器，由MSP430对所测数据进行分析处理，最终测得目标网络的幅频特性与相频特性，同时通过LCD绘制相应的特性曲线，从而完成对目标网络的特性测试。本系统具有低功耗，成本低廉，控制方便，人机交互友好，工作性能稳定等特点，不失为简易频率特性测试仪的一种优越方案。关键字：DDS9854，MSP430，频率特性测试目录一、设计目标41、基本要求：42、发挥部分：4二、系统方案4方案一5方案三5方案二5三、控制方法及显示方案5四、系统总体框图6五、电路设计71、DDS模块设计72、DDS输出放大电路73、RLC被测网络84、乘法器电路85、AD模数转换9六、软件方案10七、测试情况111、测试仪器112、DDS频率合成输出信号：113、RLC被测网络测试结果124、频谱特性测试12八、总结12九、参考文献12十、附录13一、设计目标根据零中频正交解调原理，设计并制作一个双端口网络频率特性测试仪，包括幅频特性和相频特性。1、基本要求：制作一个正交扫频信号源。（1）频率范围为1MHz40MHz，频率稳定度10-4；频率可设置，最小设置单位100kHz。（2）正交信号相位差误差的绝对值5，幅度平衡误差的绝对值5%。（3）信号电压的峰峰值1V，幅度平坦度5%。（4）可扫频输出，扫频范围及频率步进值可设置，最小步进100kHz；要求连续扫频输出，一次扫频时间2s。 2、发挥部分：（1）使用基本要求中完成的正交扫频信号源，制作频率特性测试仪。a.输入阻抗为 50，输出阻抗为 50；b.可进行点频测量；幅频测量误差的绝对值0.5dB，相频测量误差的绝对值5；数据显示的分辨率：电压增益 0.1dB，相移 0.1。（2）制作一个RLC串联谐振电路作为被测网络，其中Ri和Ro分别为频率特性测试仪的输入阻抗和输出阻抗；制作的频率特性测试仪可对其进行线性扫频测量。a.要求被测网络通带中心频率为 20MHz，误差的绝对值5%；有载品质因数为 4，误差的绝对值5%；有载最大电压增益 -1dB；b.扫频测量制作的被测网络，显示其中心频率和-3dB 带宽，频率数据显示的分辨率为 100kHz；c.扫频测量并显示幅频特性曲线和相频特性曲线，要求具有电压增益、相移和频率坐标刻度。幅频特性曲线的纵坐标为电压增益（dB）；相频特性曲线的纵坐标为相移（）；特性曲线的横坐标均为线性频率（Hz）。发挥部分中，一次线性扫频测量完成时间30s。（3）其他。二、系统方案图1 系统方案方案一方案一对DA的转换速率要求过高，市售DA速率根本无法达到题目要求，对主控芯片主频及驱动时钟频率要求过高，而且成本较高，故放弃方案一。方案三方案三中虽然采用DDS9854做信号源，想法较好，通过数字处理可以得到更好的结果，但考虑到信号最高频率达到40M，为保证奈奎斯特采样定律，至少应使用80M采样率的AD，考虑到高速AD价格不菲，所以不宜采用方案三。方案二综合考虑，方案二成本较低，且效果较好，前期通过模拟电路处理，最后通过低速AD送入单片机处理即可完成题目要求，整个方案保持低成本、低功耗，工作性能稳定，故选方案二。三、控制方法及显示方案对DDS9854定性分析并设计外围电路制作PCB板，可以实现峰峰值200400mV两路正交信号输出。为满足输出信号峰峰值在1V以上，我们采用THS3001高速运放搭建宽带放大器连接在9854输出端，提供6.1倍增益。同时为满足正交信号相位误差和幅度平衡误差要求，两路宽带放大器电路应尽可能相同。另外为满足140MHz输出信号幅度平坦度在5%以内，宽带放大器应具有尽可能平坦的通带增益。利用MSP430单片机对DDS9854进行控制，并通过12864液晶屏显示菜单交互界面，满足直接设置频率、连续扫频输出、可调节步进输出等题目要求功能。发挥部分中，设两路正交信号分别为V1=Acost与V2=Asint，且余弦信号经过待测网络后变为Vx=ABcos(t+)。计算可知：V1Vx=1 2A2Bcos(2t+)+1 2A2BcosV2Vx=1 2A2Bsin(2t+)-1 2A2Bsin因此，如果将相乘所得信号经过低通滤波器滤出直流分量I=1 2A2Bcos和Q=-1 2A2Bsin，则可以计算出1 2A2B=(I2+Q2)，=-arctan(Q/I)，由此可以得出频率f=/2处待测网络的幅频与相频响应。在扫频模式下，每隔100KHz记录下一个频率点的响应，即可绘出待测网络的幅频与相频曲线。在实际设计中，我们先将余弦信号送入被测网络，网络输出分为两路，分别与原正弦、余弦信号利用AD835高速模拟乘法器相乘。将此时两路输出信号各自经过低通滤波滤出直流分量。由于乘法器所得直流分量较小，约2050mV，因此我们在低通滤波器之后加入了由低失调电压运放OP27搭建的放大器，将直流信号放大到200500mV。此时信号需要经过AD转换送入单片机进行处理，我们打算采用高精度AD TLC2543完成。由于TLC2543只支持单极性输入，而I与Q极性无法事先确定，所以我们在AD转换之前加入了由LM385电压基准和AD817组成的加法器模块提供2.5V偏置。数字信号送入单片机后，由单片机分析数据得到直流信号中包含的频率与相位信息，通过320240分辨率的TFT彩屏分两屏绘制出被测网络的幅频相频曲线。四、系统总体框图图2 系统总体框图五、电路设计1、DDS模块设计DDS模块的设计是本系统的重点。DDS模块主要是围绕芯片AD9854进行设计的，设计要求既要满足性能指标，还要求优化电路，减小电路面积，改进布线布局，否则造成输出不稳将使得后续方案无法继续进行。下面先介绍AD9854的基本特性。如图所示，AD9854内部包括一个具有48位相位累加器、一个可编程时钟倍频器、一个反sinc滤波器、两个12位300MHz DAC，一个高速模拟比较器以及接口逻辑电路。图3 AD9854功能结构框图其主要性能特点如下：1) 高达300MHz的系统时钟；2) 能输出一般调制信号，FSK，BPSK，PSK，CHIRP，AM等；3) 100MHz时具有80dB的信噪比；4) 内部有4到20的可编程时钟倍频器；两个48位频率控制字寄存器，能够实现很高的频率分辨率。两个14位相位偏置寄存器，提供初始相位设置。5) 带有100MHz的8位并行数据传输口或10MHz的串行数据传输口。2、DDS输出放大电路前端放大用宽带放大器THS3001，放大6.1倍，为满足输入输出端阻抗匹配以及仪器输出阻抗要求，需要在输入、输出端接入50电阻，如图所示，两路信号均进入放大器。图4 THS3001放大电路3、RLC被测网络放大器输出余弦信号分为两路，一路进入待测网络，待测网络如图图5 RLC待测网络其中R约为0，Ro为放大器输出阻抗50欧，Ri也为50欧，为后级电路的输入电阻。中心频率f0=1/(2LC)，品质因数Q=(1/R)(L/C)。经理论计算，L取3.51uH，C取18pF，实验得中心频率为20.08MHz，最大增益为-0.48dB，满足题目要求。4、乘法器电路图6 AD835电路采用高速模拟乘法器AD835，其基本传递函数为W=XY+Z。实验中将X2、Y2、Z接地，即可实现乘法功能。由于频率较高，乘法器电源不仅需要电容去耦，还要加入磁珠，以抑制电源线上产生的高频干扰。同时需注意两路乘法器电路尽可能对称，避免其输入输出关系产生差异。5、AD模数转换图7 TLC2543电路如图，为TLC2543 AD转换器连接图，其中CH1为信号输入端，CLK、DATAIN、DATAOUT、CS与MSP430连接，通过串口传输数据，REF+连接至电源电压Vcc，REF-连接至GND。图8 TLC2543时序图图示为MCU对TLC2543的操作时序，在CS片选端为低电平的情况下，单片机提供CLK则TLC2543开始工作，在连续十二个时钟期间，单片机写入相应的控制字，控制单、双极性输出，MSB或LSB前导等数据格式。与此同时，TLC2543与时钟同步输出上一次的12位转换结果。六、软件方案本系统中共用到两片MSP430F149，一片用作DDS主控端，通过与AD9854I/O交互，实现题设要求DDS输出各个功能模块，并以液晶屏幕及键盘交互的模式提供友好的人机界面，为使用者提供稳定且便利的用户体验。另一片MSP430F149位于整个系统的后端，发挥数据处理以及结果显示的作用，通过对被测网络的测量结果分析，绘制出被测网络的幅频及相频特性曲线。另外，我们知道，扫频过程中，当前扫频频率是数据处理的要素之一，因此DDS端MSP430F149在不断扫频时，通过串口通信协议实时告知数据处理端MSP430F149当前扫频频率，便于后者将获取的特性数据与对应频率一一对应，从而成功将被测网络特性曲线描绘至TFT屏幕。 以下分别为DDS端MSP430F149与数据处理端MSP430F149软件流程图： 图9 DDS主控流程图图10 MCU显示流程图七、测试情况 1、测试仪器直流稳压稳流电源：型号GPD3303DDS合成信号发生器：型号EE1461五位半数字万用表：型号 FLUKE8808A200M数字存储示波器：型号Tektronix TDS2022B自制简易频谱特性测试仪（含LCD显示频谱特性）高性能射频一体化矢量网络分析仪：型号AV3620A2、DDS频率合成输出信号：频率(MHz)1510152025303540CH1(Vpp)1.141.131.141.151.151.161.161.161.15CH2(Vpp)1.151.141.151.161.151.171.161.181.17()91.290.488.290.186.884.683.687.285.4表1 DDS输出信号测试数据基本满足题目要求。3、RLC被测网络测试结果中心频率20.08M,有载最大增益为-0.48dB，有载品质因数为3.83，满足题目要求。4、频谱特性测试使用高性能矢量网络分析仪分析所准备的RLC待测网络，记录网络实际频率特性数据；再用自制频率特性仪测量相应数据，记录在同一张表中，分析频率特性测试仪性能。数据如下（Av、为实际特性，Av、为测量所得）f(MHz)1516171819202122232425Av(dB)-10.12-8.85-6.57-4.48-2.03-0.49-2.16-4.33-6.21-8.45-9.87Av(dB)-9.7-8.6-6.3-4.2-1.9-0.9-1.8-4.1-5.9-8.2-9.5()61.254.842.031.718.31.7-15.9-26.5-34.3-44.1-47.6 ()57.549.838.727.215.4-0.3-17.2-28.9-37.6-48.3-55.7表2 频谱特性测试基本满足题目要求，幅频显示分辨率0.1dB，相位显示分辨率0.1，扫频步进100kHz，并能显示出网络中心频率与-3dB带宽，一次扫频时间30s。八、总结本频率特性测试仪以DDS合成器AD985