频率特性测试仪【基于AD9850的频率特性测试仪】

　　[摘要]详细介绍基于DDS技术的网络频率特性测试仪的原理、组成及其功能,包括产生扫频信号的芯片AD9850和七阶椭圆滤波器、基于AD8302的被测网络增益相位检测电路、基于施密特触发器和D触发器的相位极性判断电路,该仪器主要应用于对宽带放大器,滤波器以及其它有源或无源线性网络频率特性的测试。用液晶显示器显示幅频特性,相频特性以及单点测试曲线。
　　[关键词]DDS增益相位检测MSP430单片机幅频特性相频特性
　　中图分类号:TN97 文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110013-02
　　
　　传统模拟式扫频仪不仅价格昂贵,体积庞大,电路设计复杂,而且只能显示幅频特性曲线,不能得到相频特性曲线,给使用者带来诸多不便。为此,设计了一种低频段频率特性测试仪,该测试仪可以实现对低频段10Hz-1MHz的扫频,且与传统扫频仪相比,价格低廉,体积小,设计简单,使用方便。该系统采用数字直接频率合成技术专用的集成电路AD9850产生扫频信号,以MSP430F1247单片机为控制核心,用液晶实现对被测网络幅频特性和相频特性的测量显示。该扫频仪的设计主要包括扫频信号源、增益相位检测电路以及相位极性判断电路三部分,其中最重要的部分是对被测网络的增益相位检测,电路设计采用了芯片AD8302,简化了传统的设计,提高了可靠性和精度,模数转换采用MSP430F1247片内12位的ADC,充分挖掘了单片机的内部资源,节约了成本。系统整体设计如图1所示。
　　
　　一、扫频信号源的设计
　　
　　扫频信号源的作用是为了产生扫频仪测量所需的正弦扫频信号。该信号源的起始频率、终止频率、扫频步长、单频点持续时间以及输出信号功率等必须要在一定的频段上按要求任意调节。扫频信号源在频率特性测试仪中有着重要的地位,它的各项指标直接关系到整个测试系统所能达到的性能要求,扫频信号的中心频率都应当是被测网络的中心频率,而扫频的宽度应大于被测网络的带宽。其设计的好坏直接影响到后续电路的工作状况和测量精度。
　　扫频信号发生器一般采用频率合成的方法,频率合成技术经过几十年的发展,到现在已经有三种主要技术:直接频率合成技术、锁相频率合成技术、直接数字频率合成技术。
　　由于直接数字频率合成技术是近年来随着数字集成电路和微电子技术的发展而迅速发展起来的第三代频率合成技术。它的基本原理就是将波形数据先存储,然后在频率数据和基准脉冲的作用下通过相位累加器从存储器中读出波形数据,经数模转换和滤波输出。DDS技术具有频率转换时间短、频率稳定度高、相位分辨率高、输出相位连续、易于集成、具有任意波形的输出能力及数字调制功能等突出优点,而且避免采用单片函数函数发生器作为信号源时,外接电容电阻对频率的影响,其速度也比采用数字锁相环频率合成技术快,因此采用DDS集成器件作为信号源,利用ADI公司生产的AD9850作为DDS信号发生器核心器件,最高可产生125MHZ的模拟正弦波,扫频信号源如图2所示。
　　
　　二、信号调理电路的设计
　　
　　可具体分为两个方面:一是噪声干扰的有效抑制;二是对输出信号的功率进行调整。
　　由于AD9850内部没有低通滤波器,因此输出的扫频信号含有高频噪声,需要在其输出端口加低通滤波器,由于AD9850的系统时钟典型为125MHZ,而DDS最高能输出系统时钟的一半,但为了更好降低DDS的杂散,一般将最高输出控制在系统时钟的40%,本系统设计中,滤波器最高输出频率设定为50MHZ,为了能降低AD9850系统时钟的干扰,采用具有较窄过渡带特性的七阶椭圆滤波器,具有下降更快的过渡带,通带设计为55MHZ,通过实际中的不断调试以确定滤波器组件值,如图3所示。
　　
　　三、增益相位检测电路设计
　　
　　用于检测信号经过被测网络后增益和相位的变化。被测网络增益是指被测电路接受端信号相对于扫频信号源AD9850输出的增益,相位指的是两者相位的差值,该检测电路检测增益和相位差并转化为MSP430F1247接受的数字量。
　　在本系统的设计中采用专门的增益相位检测器件AD8302,它有较强的抗干扰能力,检测精度较高,便于进行控制。
　　由于AD8302要求被检测的两路信号功率在-60dBm～0dBm范围,为防止损害器件,需要对这两路信号进行功率调整,采用便于控制增益的放大器LM318进行有效功率调整,使增益相位检测器件AD8302能够有效的对被测网络的增益和相位进行检测,如图4所示。
　　增益相位检测器件AD8302将两输入信号的幅度之比转化为电压输出,范围为0～1.8V,两输入信号的相位差也转化为电压输出,范围为0～1.8,表示相位差大小0～180°。
　　同时,由于AD8302检测的相位大小为0～180°,无法给出相位是超前还是滞后,所以需要对相位极性进行检测判断。其主要电路由施密特触发器和D触发器构成,用比较器74HC14将正弦波形整形为方波,它的内部有两路独立的比较器,因此可以实现两路信号的整形。而D触发器采用TI公司的SN74LVC74,整形电路输出的一路信号接在SN74LVC74的时钟输入引脚,另一路信号接在D输入引脚,如图5所示。
　　
　　四、系统软件设计
　　
　　图6给出系统软件设计流程图。主要包括初始化、键盘扫描和扫频等。首先是系统初始化,主要是初始化LCD菜单,根据菜单进行按键操作。系统根据频率范围(10Hz-1MHz)进行扫描,如果没有其他按键,则LCD显示被测网络在该频率范围内的幅频特性和相频特性,当检测到有按键按下时,进行中断处理,系统配置有4种按键处理,扫描频率输入,显示幅频特性曲线,显示相频特性曲线,显示特定频率点幅值和相位特性,按键设置结束,则系统根据设定值进行扫描和相应的显示。
　　
　　五、测量结果
　　
　　在此基础上设计一个双T网络(中心频率10KHz左右)。利用Matlab仿真,得到双T滤波网络幅频特性曲线和相频特性曲线,如图7所示。
　　在中心频率上,相频特性出现突变,由负相位特性最大值突变为正相位极大值。幅频特性曲线在中心频率上出现极小值,衰减大,在其带宽范围之外网络衰减比较小。因此,利用该系统设计可直观显示出一个网络的频率特性。
　　
　　六、结束语
　　
　　设计采用了DDS技术进行简化,同时使用幅值相位检测器件AD8302更加准确的对幅值和相位进行检测,利用了单片机内的AD,达到系统所需的精度的同时节约了成本,用LCD直观的显示被测网络的幅频特性、相频特性和单点特性。经过调试,该扫频仪的扫频效果和效率得到了很好的体现,并且该扫频仪可推广应用于地震监测,医疗器械等的低频频域分析中。
　　
　　参考文献:
　　[1]王文理、王丽,DDS在数字频率特性测试仪中应用[J].国外电子元器件,2007(1):20-23.
　　[2]施智强、何欣、唐铭杰、沈骋曦,频率特性测试仪[J].国外电子元器件,2008(12):9-11.
　　[3]张春水、张佳培,基于单片机和FPGA的频率特性测试仪,电子设计工程,2009(1):64-65,68.
　　[4]杨艳花,低成频率特性测试仪的设计与实现[D].太原:太原理工大学,2005.
　　[5]全国大学生电子设计竞赛委员会,全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京:北京理工大学出版社,2005.
　　[6]沈建华、杨艳琴、翟骁曙,MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计[M].北京:清华大学出版社,2005.
　　作者简介:
　　鞠文云(1988-),男,本科生,就读于四川大学电气信息学院电气工程及其自动化专业06级16班。
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