頻率特性測試儀報告

1、簡易頻率特性測試儀摘要： 本次設(shè)計制作的頻率特性測試儀主要由正交掃頻信號源、被測網(wǎng)絡(luò)、乘法器、低通濾波和顯示等模塊組成。通過數(shù)字合成器AD9854產(chǎn)生兩路正交信號，經(jīng)過放大器放大后，通過待測RLC網(wǎng)絡(luò)，輸出信號與乘法器AD835相乘，后通過低通濾波器濾出直流分量，經(jīng)過放大后送入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、人機友好等特點。該設(shè)計是一份較好的簡易頻率特性測試儀方案，可基本達到所有設(shè)計要求。關(guān)鍵字：頻率特性測試儀，AD9854，stm32單片機一、方案論證與比較1.正交掃頻信號源方案比較：方案一：采用FPGA與DA

2、結(jié)合構(gòu)建DDS部分，通過程序控制頻率，由DA輸出波形。但是FPGA倍頻后無法達到穩(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。AD9854允許輸出的信號頻率高達150MHZ, 系統(tǒng)時鐘最高可達300M。輸出誤差和輸出失調(diào)都很小，符合本次設(shè)計要求，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，其特點是帶寬可達250MHz，外圍電路簡單，制作方便?？蛇_到設(shè)計要求，所以決定采用此方案。

3、3.RLC網(wǎng)絡(luò)方案比較：方案一：采用貼片電感進行制作，此方法電感精度有限，需要固定不停更換電容以達到最佳品質(zhì)因數(shù)，費時。所以不采用此方案。方案二：采用繞線電感進行制作。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：根據(jù)如下系統(tǒng)總體框圖可看出本系統(tǒng)通過直接數(shù)字合成器AD9854產(chǎn)生兩路正交信號，經(jīng)過放大器放大。后因輸出時進行了阻抗匹配，所以接兩倍跟隨器以保證相位一致。跟隨器輸出信號通過待測RLC網(wǎng)絡(luò)，再與乘法器AD835相乘，后通過低通濾波器濾出直流分量，經(jīng)過放大后送入AD，由I2+Q2可得到幅度，同時相角可由arc

4、tan(QI)得到，數(shù)據(jù)送入單片機進行處理。放大器采用ths3001放大8倍，AD835作為信號乘法器，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單片機進行驅(qū)動。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、理論分析與計算1.系統(tǒng)整體分析AD9854產(chǎn)生兩類正交信號Acoswt和Asinwt。信號通過通過被測網(wǎng)絡(luò)輸出信號可表示為Bcos(wt+)則經(jīng)過乘法器相乘可得兩路信號為:X1t=Acoswt*Bcoswt+=12ABcos+cos2wt+X2t=Asinwt*Bcoswt+=12ABsin

5、-sin2wt+后通過濾波器濾除高頻分量得到x1=12ABcos()和x2=- 12ABsin()后經(jīng)過直流偏置與放大后輸出直流信號y1=k*x1+b，同理另一路輸出y2=k*x2+b。經(jīng)ADC采樣后進入單片機。相頻響應(yīng)和幅頻響應(yīng)由輸入的兩路信號共同參與計算得到：相頻響應(yīng)：=arctan-x2x1=arctan-y2-by1-b=arctan(y2-bb-y1)幅頻響應(yīng)：H=20log10B12A=20log104x12+x22A22.濾波器分析與計算本次濾波器的設(shè)計是需要輸出一個帶有直流分量的混頻信號，設(shè)計采用的Butterworth型，其特點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個點，采取5倍采樣頻率則中心頻率fc=5NTc。由于本設(shè)計中掃頻步進取100KHz，所以N=390，Tc=2s,可取fc等于1kHz。利用TI Filter軟件輔助設(shè)計，取截止頻率30Hz，反饋方式為多重反饋，可設(shè)計得到八階低通濾波器。3.ADC分析本題要求頻率范圍在,測量誤差絕對值0.5dB。掃頻最小步進為100kHz，一次掃頻時間2s。2s內(nèi)1-40M、步進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頻點的設(shè)計要求，因此可以采用此ADC進行設(shè)計使用。 4.被測網(wǎng)絡(luò)RLC分析與計算本測試網(wǎng)絡(luò)為LC串聯(lián)諧振回路，LC部分相當于短路。因

7、為Av=20lgu012us=20lg2RiRi+R0+R-1dB,可計算得R12.2018，通過仿真定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100kHz，則有390個點。我們采用320*240分辨率的彩屏來顯示幅頻與相位。整個顯示圖像根據(jù)測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的點從+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、帶寬會在圖像側(cè)邊顯示。參數(shù)具體計算是根據(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)分析通過單片機計算得到并在屏幕上進行顯示。三、電路與程序設(shè)計1.DDS模塊設(shè)計下圖2為AD9854外圍電路。69號參考時鐘引腳接30MHz有源晶振，通過程序設(shè)置倍頻6倍，使系統(tǒng)時鐘達到180MHz。AD9854產(chǎn)生兩路正交信號，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手冊經(jīng)典電路進行連接。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，使輸出信號經(jīng)過放大器峰峰值可放大4倍。圖2 AD9854設(shè)計電路圖3 Ths3001放大器設(shè)計電路2.乘法器模塊設(shè)計如下圖4所示，乘法器我們采用AD

9、835芯片進行制作，其帶寬250MHz遠遠滿足40MHz的題目要求，其中四個引腳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即可實現(xiàn)乘法功能，Z腳連接電位器進行偏置調(diào)節(jié)。圖4 AD835設(shè)計電路3.濾波器模塊設(shè)計本次設(shè)計我們采用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)計軟件可設(shè)計得到。圖5 濾波器設(shè)計電路4.RLC測試模塊如下圖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)實際測量最終選擇27pf, 經(jīng)實際測量可滿足中心頻率與品

10、質(zhì)因數(shù)的要求。圖6 RLC設(shè)計電路 5.軟件模塊設(shè)計本系統(tǒng)采用stm32控制顯示屏進行幅頻與相頻特性曲線的顯示，利用FPGA接受來自AD傳輸?shù)男畔⑦M行數(shù)據(jù)處理。整個系統(tǒng)初始化后進入功能選擇界面通過選擇不同的模式進行不同頻率選擇，從而顯示結(jié)果，整體流程如下圖7： 圖7 主程序流程圖四、測試方案與測試結(jié)果1.測試儀器（1）RIGOL DS1104示波器（2）RIGOL DG1062 信號發(fā)生器（3）RIGOL DP832 直流電源（4）VICTOR VC890C+ 數(shù)字萬用表2.測試方法（1）正交掃頻信號源測量DDS產(chǎn)生兩路正交信號，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)定信號源的掃頻范圍與步進，用示波器測量掃頻信號，記錄實驗結(jié)果。（2）發(fā)揮部分測量設(shè)定信號輸出頻率，用示波器測量兩路信號幅值與相位，記錄實驗結(jié)果。單獨測試RLC網(wǎng)絡(luò)，把其接入信號源，設(shè)置負載50，掃頻模式，觀察中心頻率及品質(zhì)因數(shù)。記錄實驗結(jié)果。3.測試結(jié)果及分析（1）正交掃頻信號源測量結(jié)果：表1 DDS信號源測量結(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通過結(jié)果可看出低頻時基本滿足所有設(shè)計基本要求，但頻率較高時相位出現(xiàn)偏移，相位誤差無法達到要求。由（U2-U1)/U1×100%可看出幅度也無法達到幅度誤差要求。整體波形在高頻處略有偏移。（2）發(fā)揮部分測試結(jié)果：表2 發(fā)揮部分測試結(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)計算，幅度誤差在設(shè)計要求范圍內(nèi)，但相位達不到所需條件。RLC網(wǎng)絡(luò)：實測RLC測試網(wǎng)絡(luò)，中心頻率20.7MHz,帶寬14.5MHz，誤差范圍內(nèi)，中心頻率到達要求，但是品質(zhì)因數(shù)1.42未能達到4的要求。綜上可以看出高頻時DDS輸出波形出現(xiàn)問題，導(dǎo)致相位、幅度未能達到要求，從而影響后面串聯(lián)諧振電路相位也未能達到設(shè)計要求。五、總結(jié)本次設(shè)計采用AD9854設(shè)計制作DDS進行1M-40M步進100kHz掃頻，內(nèi)置兩路DAC產(chǎn)生兩路正交信號，經(jīng)過放大器放大后，其中一路通過