頻率特性測(cè)試儀報(bào)告

1、簡(jiǎn)易頻率特性測(cè)試儀摘要： 本次設(shè)計(jì)制作的頻率特性測(cè)試儀主要由正交掃頻信號(hào)源、被測(cè)網(wǎng)絡(luò)、乘法器、低通濾波和顯示等模塊組成。通過(guò)數(shù)字合成器AD9854產(chǎn)生兩路正交信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器放大后，通過(guò)待測(cè)RLC網(wǎng)絡(luò)，輸出信號(hào)與乘法器AD835相乘，后通過(guò)低通濾波器濾出直流分量，經(jīng)過(guò)放大后送入AD。整體電路采用320*240分辨率的屏幕顯示，由stm32單片機(jī)采集數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)的特性曲線，本系統(tǒng)具有低成本、人機(jī)友好等特點(diǎn)。該設(shè)計(jì)是一份較好的簡(jiǎn)易頻率特性測(cè)試儀方案，可基本達(dá)到所有設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵字：頻率特性測(cè)試儀，AD9854，stm32單片機(jī)一、方案論證與比較1.正交掃頻信號(hào)源方案比較：方案一：采用FPGA與DA

2、結(jié)合構(gòu)建DDS部分，通過(guò)程序控制頻率，由DA輸出波形。但是FPGA倍頻后無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定度0.0001，且制作復(fù)雜，整體成本較高，所以不建議采用本方案。方案二：采用高速數(shù)字合成器AD9854，可以輸出I、Q兩路合成信號(hào)。AD9854允許輸出的信號(hào)頻率高達(dá)150MHZ, 系統(tǒng)時(shí)鐘最高可達(dá)300M。輸出誤差和輸出失調(diào)都很小，符合本次設(shè)計(jì)要求，所以決定采用此方案。2.乘法器方案比較：方案一：利用運(yùn)放與比較器搭建乘法器電路，整體電路制作復(fù)雜，且很難達(dá)到高頻率的要求，所以不采用此方案。方案二：利用高速乘法器AD835，其特點(diǎn)是帶寬可達(dá)250MHz，外圍電路簡(jiǎn)單，制作方便?？蛇_(dá)到設(shè)計(jì)要求，所以決定采用此方案。

3、3.RLC網(wǎng)絡(luò)方案比較：方案一：采用貼片電感進(jìn)行制作，此方法電感精度有限，需要固定不停更換電容以達(dá)到最佳品質(zhì)因數(shù)，費(fèi)時(shí)。所以不采用此方案。方案二：采用繞線電感進(jìn)行制作。此方法可以方便地更改電感值，從而快速得到需要的中心頻率與品質(zhì)因數(shù)。相比方案一精度更高，更方便，因此采用此方案。4總體方案設(shè)計(jì)：根據(jù)如下系統(tǒng)總體框圖可看出本系統(tǒng)通過(guò)直接數(shù)字合成器AD9854產(chǎn)生兩路正交信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器放大。后因輸出時(shí)進(jìn)行了阻抗匹配，所以接兩倍跟隨器以保證相位一致。跟隨器輸出信號(hào)通過(guò)待測(cè)RLC網(wǎng)絡(luò)，再與乘法器AD835相乘，后通過(guò)低通濾波器濾出直流分量，經(jīng)過(guò)放大后送入AD，由I2+Q2可得到幅度，同時(shí)相角可由arc

4、tan(QI)得到，數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行處理。放大器采用ths3001放大8倍，AD835作為信號(hào)乘法器，opa2320作為低通濾波器，op27制作放大器。整體電路采用320*240的屏幕分辨率，由stm32單片機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。整體電路采用±5V、+3.3V供電。以下是總體系統(tǒng)框圖：圖1系統(tǒng)總體框圖二、理論分析與計(jì)算1.系統(tǒng)整體分析AD9854產(chǎn)生兩類正交信號(hào)Acoswt和Asinwt。信號(hào)通過(guò)通過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)可表示為Bcos(wt+)則經(jīng)過(guò)乘法器相乘可得兩路信號(hào)為:X1t=Acoswt*Bcoswt+=12ABcos+cos2wt+X2t=Asinwt*Bcoswt+=12ABsin

5、-sin2wt+后通過(guò)濾波器濾除高頻分量得到x1=12ABcos()和x2=- 12ABsin()后經(jīng)過(guò)直流偏置與放大后輸出直流信號(hào)y1=k*x1+b，同理另一路輸出y2=k*x2+b。經(jīng)ADC采樣后進(jìn)入單片機(jī)。相頻響應(yīng)和幅頻響應(yīng)由輸入的兩路信號(hào)共同參與計(jì)算得到：相頻響應(yīng)：=arctan-x2x1=arctan-y2-by1-b=arctan(y2-bb-y1)幅頻響應(yīng)：H=20log10B12A=20log104x12+x22A22.濾波器分析與計(jì)算本次濾波器的設(shè)計(jì)是需要輸出一個(gè)帶有直流分量的混頻信號(hào)，設(shè)計(jì)采用的Butterworth型，其特點(diǎn)是是在通帶中具有最平幅度，從通帶衰減較慢。設(shè)一共

6、需掃描N個(gè)點(diǎn)，采取5倍采樣頻率則中心頻率fc=5NTc。由于本設(shè)計(jì)中掃頻步進(jìn)取100KHz，所以N=390，Tc=2s,可取fc等于1kHz。利用TI Filter軟件輔助設(shè)計(jì)，取截止頻率30Hz，反饋方式為多重反饋，可設(shè)計(jì)得到八階低通濾波器。3.ADC分析本題要求頻率范圍在,測(cè)量誤差絕對(duì)值0.5dB。掃頻最小步進(jìn)為100kHz，一次掃頻時(shí)間2s。2s內(nèi)1-40M、步進(jìn)100kHz,則數(shù)據(jù)的變化率為0.05s?？紤]到stm32內(nèi)置ADC可滿足2s內(nèi)391頻點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求，因此可以采用此ADC進(jìn)行設(shè)計(jì)使用。 4.被測(cè)網(wǎng)絡(luò)RLC分析與計(jì)算本測(cè)試網(wǎng)絡(luò)為L(zhǎng)C串聯(lián)諧振回路，LC部分相當(dāng)于短路。因

7、為Av=20lgu012us=20lg2RiRi+R0+R-1dB,可計(jì)算得R12.2018，通過(guò)仿真定R=3.6。中心頻率fo為20MHz，由f0=12LC與Q=w0LR=2f0LR=1RLC=4可得L=3.3uH,C=18pF.最后實(shí)際制作定得R=3.6，L=3.3uH，C=27pF。5.特性曲線顯示分析頻率范圍1M-40MHz，步進(jìn)100kHz，則有390個(gè)點(diǎn)。我們采用320*240分辨率的彩屏來(lái)顯示幅頻與相位。整個(gè)顯示圖像根據(jù)測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的點(diǎn)從+90°到-90°變化顯示。具體參數(shù)包括模式、頻率、幅度、相位、中心頻率、帶寬會(huì)在圖像側(cè)邊顯示。參數(shù)具體計(jì)算是根據(jù)幅頻

8、響應(yīng)與相頻響應(yīng)模擬分析轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)分析通過(guò)單片機(jī)計(jì)算得到并在屏幕上進(jìn)行顯示。三、電路與程序設(shè)計(jì)1.DDS模塊設(shè)計(jì)下圖2為AD9854外圍電路。69號(hào)參考時(shí)鐘引腳接30MHz有源晶振，通過(guò)程序設(shè)置倍頻6倍，使系統(tǒng)時(shí)鐘達(dá)到180MHz。AD9854產(chǎn)生兩路正交信號(hào)，兩路輸出連接電阻均采用49.9，后接截止頻率120MHz七階濾波器濾除噪聲。其他引腳參考AD9854手冊(cè)經(jīng)典電路進(jìn)行連接。為滿足幅值要求，我們采用Ths3001芯片制作如下圖3所示同向放大器，使輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器峰峰值可放大4倍。圖2 AD9854設(shè)計(jì)電路圖3 Ths3001放大器設(shè)計(jì)電路2.乘法器模塊設(shè)計(jì)如下圖4所示，乘法器我們采用AD

9、835芯片進(jìn)行制作，其帶寬250MHz遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足40MHz的題目要求，其中四個(gè)引腳X1、X2和Y1、Y2我們只用到X1、Y1，X2與Y2直接接地。根據(jù)其基本傳遞函數(shù)W=XY+Z即可實(shí)現(xiàn)乘法功能，Z腳連接電位器進(jìn)行偏置調(diào)節(jié)。圖4 AD835設(shè)計(jì)電路3.濾波器模塊設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)我們采用opa2320制作8階濾波器，如下圖5所示，濾波器選型為butterworth型，截止頻率30Hz，采用濾波器設(shè)計(jì)軟件可設(shè)計(jì)得到。圖5 濾波器設(shè)計(jì)電路4.RLC測(cè)試模塊如下圖6所示，增加跟隨器電路連接到RLC網(wǎng)絡(luò)。RLC輸入阻抗50，R取3.6，L為3.3uH,C經(jīng)實(shí)際測(cè)量最終選擇27pf, 經(jīng)實(shí)際測(cè)量可滿足中心頻率與品

10、質(zhì)因數(shù)的要求。圖6 RLC設(shè)計(jì)電路 5.軟件模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用stm32控制顯示屏進(jìn)行幅頻與相頻特性曲線的顯示，利用FPGA接受來(lái)自AD傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行數(shù)據(jù)處理。整個(gè)系統(tǒng)初始化后進(jìn)入功能選擇界面通過(guò)選擇不同的模式進(jìn)行不同頻率選擇，從而顯示結(jié)果，整體流程如下圖7： 圖7 主程序流程圖四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1.測(cè)試儀器（1）RIGOL DS1104示波器（2）RIGOL DG1062 信號(hào)發(fā)生器（3）RIGOL DP832 直流電源（4）VICTOR VC890C+ 數(shù)字萬(wàn)用表2.測(cè)試方法（1）正交掃頻信號(hào)源測(cè)量DDS產(chǎn)生兩路正交信號(hào)，輸入示波器，即可顯示相應(yīng)波形，頻率，幅度，相位等信息，改變頻率觀

11、察幅度變換。設(shè)定信號(hào)源的掃頻范圍與步進(jìn)，用示波器測(cè)量掃頻信號(hào)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（2）發(fā)揮部分測(cè)量設(shè)定信號(hào)輸出頻率，用示波器測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)幅值與相位，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。單獨(dú)測(cè)試RLC網(wǎng)絡(luò)，把其接入信號(hào)源，設(shè)置負(fù)載50，掃頻模式，觀察中心頻率及品質(zhì)因數(shù)。記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。3.測(cè)試結(jié)果及分析（1）正交掃頻信號(hào)源測(cè)量結(jié)果：表1 DDS信號(hào)源測(cè)量結(jié)果表頻率（Hz)1M5M10M15M20M25M30M35M40MCH1(V)1.481.501.511.491.531.491.501.511.51CH2(V)1.511.491.501.511.491.481.471.451.42幅度平衡誤差（%）2.020.670.

12、621.342.610.672.003.975.96頻率穩(wěn)定度10-510-510-510-510-510-510-510-510-5相位差(°)899090889290803617通過(guò)結(jié)果可看出低頻時(shí)基本滿足所有設(shè)計(jì)基本要求，但頻率較高時(shí)相位出現(xiàn)偏移，相位誤差無(wú)法達(dá)到要求。由（U2-U1)/U1×100%可看出幅度也無(wú)法達(dá)到幅度誤差要求。整體波形在高頻處略有偏移。（2）發(fā)揮部分測(cè)試結(jié)果：表2 發(fā)揮部分測(cè)試結(jié)果表頻率/Hz1M5M10M15M20M25M30M35M40M幅度/dB-9.9-10-10-4.40-1.1-3.3-4.4-5.5相位/°89815925-35-46-53-56-58經(jīng)計(jì)算，幅度誤差在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，但相位達(dá)不到所需條件。RLC網(wǎng)絡(luò)：實(shí)測(cè)RLC測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，中心頻率20.7MHz,帶寬14.5MHz，誤差范圍內(nèi)，中心頻率到達(dá)要求，但是品質(zhì)因數(shù)1.42未能達(dá)到4的要求。綜上可以看出高頻時(shí)DDS輸出波形出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致相位、幅度未能達(dá)到要求，從而影響后面串聯(lián)諧振電路相位也未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。五、總結(jié)本次設(shè)計(jì)采用AD9854設(shè)計(jì)制作DDS進(jìn)行1M-40M步進(jìn)100kHz掃頻，內(nèi)置兩路DAC產(chǎn)生兩路正交信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器放大后，其中一路通過(guò)