一種頻率特性測試儀的實現

【摘要】 文章介紹了一種運用正交解調原理，實現頻率特性測試儀的方法。以51單片機來控制AD9854 ， 產生兩路頻率范圍為1MHz～40MHz且頻率可設置的信號，兩路信號正交（相角差90度）。其中一路信號通過待測網絡，分別與原來的正交信號相混頻。經過低通濾波器，產生兩路I和Q信號，經過AD采樣，單片機設計算法進行計算，得到待測網絡的幅度和相位相應的特性。并通過顯示系統進行顯示。

【關鍵詞】 掃頻信號 頻率特性

一、理論分析與計算

1、系統原理

單片機控制DDS模塊（AD9854）來產生各點頻和掃頻信號。但是產生出來的信號一般幅值較低，所以還要經過穩幅放大過程。然后將其中一路信號通過被測網絡，從被測網絡輸出后再分別與兩路正交信號混頻，之后再分別通過低通濾波，及AD轉換，將其結果通到顯示模塊上顯示出被測網絡的幅頻特性和相頻特性。

2、信號源產生部分

可以考慮用分離元件搭出VCO電路來產生所要求的正交信號，VCO電路是通過電壓來控制產生信號的頻率的。所以可用來產生各點頻和掃頻信號，其正交信號可通過一個90度移向網絡來實現。方案雖然可以實現，但是電路復雜，易出現不穩定的情況，而且其頻率調節不能數字控制，電路之間也容易產生較大的干擾。利用單片機或者FPGA控制AD9851來產生想要的波形。該方法優勢明顯，加入單片機或者FPGA后，可以實現數字鍵控，可以通過鍵盤來輸入想要的頻率點或選擇掃頻信號，其正交信號也可以通過軟件編寫來控制另一個DDS模塊產生。其不足之處在于產生的正交信號較難保持90度的穩定相差，這是由于器件本身原因造成的。如果DDS模塊使用AD9854來實現，能夠確保兩路信號正交，只需再將輸出信號穩幅放大。

3、放大穩幅模塊

通過負反饋實現自動增益控制（AGC）。使用AD603來實現，該方案可以采用數字方式，即通過單片機在輸出端口采樣計算，產生負反饋，也可以 在其輸出后級直接增加反饋電路，采用模擬方法實現自動增益控制（AGC）。

4、混頻部分

乘法器可以采用芯片MC1496來實現。但是外圍電路過于復雜，實驗顯示其輸出的載波頻率較高，噪聲也比較大。而芯片AD835用于混頻時，其外圍電路簡單，管腳較少，輸出干擾較小。輸入幅值范圍是-1～+1V。

5、濾波器設計

低通濾波部分采用MAX295芯片來實現。MAX295是8階的巴特沃斯低通濾波器，具有最大的通帶平坦度，其3dB截止頻率范圍為0.1Hz～50KHz。5腳即為輸出口。其時鐘對3dB截止頻率的的比為50：1，所以其時鐘最大可到2.5MHz。

6、ADC設計

為了提高轉換精度，采用AD574作為ADC轉換芯片。AD574A是美國模擬數字公司推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉換器，內置雙極性電路構成的混合集成轉換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只需外接少量的阻容件即可構成一個完整的A/D轉換器。其分辨率為12位。為了節省單片機端口，采用一個ADC加電子開關的方法來實現兩個ADC的功能，可以節省一半的單片機端口。將單片機的一端口作為控制端，高電平時傳輸I路信號，低電平時傳輸Q路信號，這樣可以讓兩路信號公用一組并行數據口。

二、測試方案和測試結果

頻率可設置，采取了數字鍵控的方法，可以手動輸入一個頻率值，也可以手動輸入掃頻信號的起始值、步進以及終止值，這樣就達到了頻率可設置，可進行掃頻，掃頻范圍和步進可調的條件。DDS芯片AD9854能產生嚴格的正交信號，經示波器實際觀測相位誤差小于5°。一次掃頻小于2s。經測量數據如下：1MHz：1.06V 1.04V；5MHz：1.06V，1.04V；10MHz：1.06V，1.01V；40MHz：1.02V，1.18V。一次掃頻用時：1.6s（泰克60M示波器測量）。

該系統較為完整的實現了簡易頻率特性測試儀，包括基礎部分和提高部分。在制作過程中遇到很多問題，例如阻抗匹配，噪聲，輸出相位浮動問題。通過加粗地線，添加磁珠有效的降低了噪聲。使用9851很難使相位穩定相差90度，改用同一晶振能基本同步，但是也會偶爾發生跳變，故使用9854代替，較好輸出正交信號。并且在提高部分較大的提高了精度。