數字頻率特性測試儀的設計

孫冬嬌+王文兵+丁俊

摘 要： 傳統的模擬式頻率特性測試儀存在價格昂貴、條件苛刻、操作不便和性能指標易受溫漂因素影響等不足。針對以上缺點，通過采用數字技術，將先進的 DDS 和 MSP430 單片機相結合，集合一些常用的外圍模擬電路，設計了一個簡易的頻率特性測試儀。系統對待測電路的輸入信號及其輸出響應采樣，經數字信號處理后，獲得電路的幅頻特性和相頻特性。設計的測試儀測某RLC網絡，中心頻率的相對誤差小于0.2%，有載品質因數相對誤差小于1.25%，最大電壓增益大于-1 dB。頻率特性測試儀輸入輸出阻抗均為50 Ω，幅頻誤差絕對值小于0.5 dB，相頻誤差絕對值小于3°。測試儀能滿足一般測試參數需求。

關鍵字： 幅頻特性測試； 直接數字式頻率合成器； 串聯諧振； 掃頻

中圖分類號： TN77?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0073?03

Design of digital frequency characteristic analyzer

SUN Dong?jiao1， 2， WANG Wen?bing1， DING Jun1

（1. School of Electronic and Information Engineering， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China；

2. Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing， Nanjing 210044， China）

Abstract： In view of the shortcomings of the traditional analog frequency characteristic tester， a simple frequency characteristic tester was designed by means of digital technology， and in combination with the advanced DDS， MSP430 microcontroller and some common peripheral analog circuits. The input signal and output response of the circuit under test are sampled by the system. The amplitude frequency and phase frequency characteristics of the circuit are obtained by digital signal processing. The designed tester was used to test A RLC network. The test results indicate that the system′s relative error of the center frequency is less than 0.2%， relative error of the loaded quality factor is less than 1.25%， maximum voltage gain is larger than -1 dB， input and output impedances are all 50 Ω， amplitude error absolute value is less than 0.5 dB， and phase frequency error absolute value is less than 3°. Tester can meet the testing requirements of general parameters.

Keywords： amplitude frequency characteristic test； direct digital synthesizer； series resonance； sweep frequency

頻率特性測試儀俗稱掃頻儀，用于測量網絡（電路）的頻率特性，如測量濾波器、放大器、高頻調諧器、雙工器、天線等的頻率特性，而且往往用于對這些電子設備或網絡的測試，是實驗室中常用的電子測量儀器之一。目前仍普遍應用于高等學校等學術研究機構的傳統模擬式頻率特性測試儀價格昂貴，操作不便，在電路性能方面不可避免地受模擬電路固有的溫漂等因素影響。頻率特性測試儀的核心部件是正弦掃頻信號源，在傳統方式實現時一般基于模擬器件結合分立元件構成，相對于基于數字技術實現的電路，穩定性較差，人機接口困難。目前，DDS直接數字頻率合成技術得到高速發展，因此用DDS數字方式實現正弦掃頻信號源，可以克服純模擬電路的種種缺點。本設計以TI公司的MSP430為主控芯片，以DDS芯片AD9854為核心，構成掃頻信號源；再通過后續模擬電路的處理，得出被測網絡的幅頻特性和相頻特性，并且在液晶顯示器上面顯示出來。

1 系統總體設計

系統的總體設計框圖如圖1所示，按照信號的傳遞和處理次序，對系統進行了模塊化設計。

單片機外圍有全面的配件構成，有鍵盤，有TFT液晶彩屏。首先，通過鍵盤選擇相應的模式，然后單片機控制DDS產生相應的正交掃頻信號；DDS產生的微弱信號經過AD603構成的固定增益放大電路進行放大，設置其中一路信號經過待測網絡；待測網絡輸出的信號和原信號兩兩分別進入AD835組成乘法器電路，各自經過一個低通濾波放大器，提取差頻信號，經過AD采樣送入單片機計算；再由單片機將電壓增益與相移送至顯示器上；繪制出幅頻和相頻特性曲線。

圖1 頻率特性測試儀原理圖

2 硬件設計

2.1 理論分析

由正交掃頻信號源產生L、Q兩路正交信號，將一路信號經過被測網絡；然后將被測網絡的輸出信號[uo]分別與正交信號進行混頻相乘，輸出[UI，][UQ，]各自經過一個低通濾波器，提取差頻信號，經過AD采樣送入單片機計算；再由單片機將電壓增益與相移送至顯示器上；繪制出幅頻和相頻特性曲線。公式（1）為被測網絡的輸出。其中，[A]為DDS輸出信號幅值；[m]為幅度增益；[φ]為相移。

[uo=Amcos（ωt+φ）] （1）

公式（2）、（3）為原信號與待測網絡輸出信號混頻相乘，并經過LPF濾波后輸出的兩路信號。

[UI=12Amcosφ] （2）

[UQ=12Amsinφ] （3）

公式（4）、（5）計算AD采樣的電壓值算出待測網絡的電壓增益和相移，從而得出幅頻和相頻特性。

[φ=arctanUQUI] （4）

[m=2U2I+U2QA] （5）

將電壓增益轉換為（單位dB）：

[Ag=20lg4+10lg（U2I+U2Q）+20lg（A?Us）] （6）

2.2 DDS電路

DDS電路是本系統中的關鍵電路，產生兩路正交掃頻信號。根據AD9854的數據手冊，DVDD和AVDD分別為數字電源和模擬電源，分別通過磁珠接入5 V電源中。在設計中加入若干貼片封裝的10 μF和0.1 μF的電容進行電源濾波，這樣才能保證信號輸出穩定。AD9854有四個字節的控制寄存（0x1D～0x20）需要配置，為了減少管腳的使用，采取了串行的配置方法。

2.3 AD603放大電路

DDS輸出的信號較小，輸出信號后面接一級放大電路，如圖2所示。

圖2 AD603放大電路

2.4 AD835乘法器電路

AD835是一款完整的四象限電壓輸出模擬乘法器，它產生[X]和[Y]電壓輸入的線性乘積，-3 dB輸出帶寬為250 MHz，如圖3所示。

圖3 AD835乘法器電路

2.5 OPA2690低通濾波器電路

首先確定截止頻率[f0]，由公式：

[AttdB=10?ln1+2πfx2πfc2n] （7）

式中：[f0]為濾波器的截止頻率；[n]是濾波器的階數；[fx]是頻率變量；[AttdB]是[fx]處的衰減。通過上式即可計算出濾波器的階數。查詢巴特沃斯歸一化表格，選擇滿足要求的歸一化濾波器，再經過反歸一化，換算出實際的元件參數，如圖4所示。

2.6 LM358放大電路

采用LM358構成低頻放大電路，對濾波器輸出的直流進行放大，以便后級AD采樣。如圖5所示。

2.7 AD設計

模數轉換電路的功能是對含有輸入信號大小、幅度和相位差信息的模擬電壓信號進行模數轉換，并把數據交給后續電路進行數據處理。考慮到單片機內部ADC已經大體滿足所需功能，決定采用MSP430F49內部自帶的ADC，并采用軟件進行濾波，采樣80次后取平均值。

圖4 OPA2690濾波器電路

圖5 LM358放大電路

3 軟件設計

3.1 功能框圖

如圖6所示，MSP430單片機為主控芯片，通過按鍵輸入控制整個系統。

圖6 程序功能框圖

3.2 主流程圖

如圖7所示，程序主要通過用按鍵實現對模式的選取，設定初值和顯示。主要模式有信號源模式和測量模式。信號源模式分為單頻輸出和掃頻輸出；測量模式分為點頻測量和掃頻測量。

圖7 程序流程圖

4 結 語

采用先進的 DDS AD9854技術和 MSP430 單片機技術相結合的方法，配合 AD公司和 TI 公司幾種不同的新型集成電路，完成了系統設計，實現了一個簡易的頻率特性測試儀。系統具有良好的人機接口，操作非常方便，供電可選性大大增強，整機也便于攜帶。其掃頻初始頻率及步進值能通過矩陣鍵盤進行設置，靈活性較好，適合高等學校等的電子技術、電子測量等課程的教學實驗應用，系統設計形成的硬件電路模塊和軟件程序也可用于學生的電子設計訓練。

參考文獻

[1] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].6版.北京：國防工業出版社，2006.

[2] 邱關源，羅先覺.電路[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

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[5] 沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[6] 葉朝鋒，崔愛英，袁燕嶺，等.數字式電路系統頻率特性分析儀的研制[J].清華大學學報：自然科學版，2011，51（12）：1792?1795.

[7] 賽爾吉歐·佛朗哥.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計[M].西安：西安交通大學出版社，2009.

[8] 趙柏樹，操長茂.數字式頻率特性測試儀的設計[J].電子技術應用，2001（1）：38?40.

圖1 頻率特性測試儀原理圖

2 硬件設計

2.1 理論分析

由正交掃頻信號源產生L、Q兩路正交信號，將一路信號經過被測網絡；然后將被測網絡的輸出信號[uo]分別與正交信號進行混頻相乘，輸出[UI，][UQ，]各自經過一個低通濾波器，提取差頻信號，經過AD采樣送入單片機計算；再由單片機將電壓增益與相移送至顯示器上；繪制出幅頻和相頻特性曲線。公式（1）為被測網絡的輸出。其中，[A]為DDS輸出信號幅值；[m]為幅度增益；[φ]為相移。

[uo=Amcos（ωt+φ）] （1）

公式（2）、（3）為原信號與待測網絡輸出信號混頻相乘，并經過LPF濾波后輸出的兩路信號。

[UI=12Amcosφ] （2）

[UQ=12Amsinφ] （3）

公式（4）、（5）計算AD采樣的電壓值算出待測網絡的電壓增益和相移，從而得出幅頻和相頻特性。

[φ=arctanUQUI] （4）

[m=2U2I+U2QA] （5）

將電壓增益轉換為（單位dB）：

[Ag=20lg4+10lg（U2I+U2Q）+20lg（A?Us）] （6）

2.2 DDS電路

DDS電路是本系統中的關鍵電路，產生兩路正交掃頻信號。根據AD9854的數據手冊，DVDD和AVDD分別為數字電源和模擬電源，分別通過磁珠接入5 V電源中。在設計中加入若干貼片封裝的10 μF和0.1 μF的電容進行電源濾波，這樣才能保證信號輸出穩定。AD9854有四個字節的控制寄存（0x1D～0x20）需要配置，為了減少管腳的使用，采取了串行的配置方法。

2.3 AD603放大電路

DDS輸出的信號較小，輸出信號后面接一級放大電路，如圖2所示。

圖2 AD603放大電路

2.4 AD835乘法器電路

AD835是一款完整的四象限電壓輸出模擬乘法器，它產生[X]和[Y]電壓輸入的線性乘積，-3 dB輸出帶寬為250 MHz，如圖3所示。

圖3 AD835乘法器電路

2.5 OPA2690低通濾波器電路

首先確定截止頻率[f0]，由公式：

[AttdB=10?ln1+2πfx2πfc2n] （7）

式中：[f0]為濾波器的截止頻率；[n]是濾波器的階數；[fx]是頻率變量；[AttdB]是[fx]處的衰減。通過上式即可計算出濾波器的階數。查詢巴特沃斯歸一化表格，選擇滿足要求的歸一化濾波器，再經過反歸一化，換算出實際的元件參數，如圖4所示。

2.6 LM358放大電路

采用LM358構成低頻放大電路，對濾波器輸出的直流進行放大，以便后級AD采樣。如圖5所示。

2.7 AD設計

模數轉換電路的功能是對含有輸入信號大小、幅度和相位差信息的模擬電壓信號進行模數轉換，并把數據交給后續電路進行數據處理。考慮到單片機內部ADC已經大體滿足所需功能，決定采用MSP430F49內部自帶的ADC，并采用軟件進行濾波，采樣80次后取平均值。

圖4 OPA2690濾波器電路

圖5 LM358放大電路

3 軟件設計

3.1 功能框圖

如圖6所示，MSP430單片機為主控芯片，通過按鍵輸入控制整個系統。

圖6 程序功能框圖

3.2 主流程圖

如圖7所示，程序主要通過用按鍵實現對模式的選取，設定初值和顯示。主要模式有信號源模式和測量模式。信號源模式分為單頻輸出和掃頻輸出；測量模式分為點頻測量和掃頻測量。

圖7 程序流程圖

4 結 語

采用先進的 DDS AD9854技術和 MSP430 單片機技術相結合的方法，配合 AD公司和 TI 公司幾種不同的新型集成電路，完成了系統設計，實現了一個簡易的頻率特性測試儀。系統具有良好的人機接口，操作非常方便，供電可選性大大增強，整機也便于攜帶。其掃頻初始頻率及步進值能通過矩陣鍵盤進行設置，靈活性較好，適合高等學校等的電子技術、電子測量等課程的教學實驗應用，系統設計形成的硬件電路模塊和軟件程序也可用于學生的電子設計訓練。

參考文獻

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[6] 葉朝鋒，崔愛英，袁燕嶺，等.數字式電路系統頻率特性分析儀的研制[J].清華大學學報：自然科學版，2011，51（12）：1792?1795.

[7] 賽爾吉歐·佛朗哥.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計[M].西安：西安交通大學出版社，2009.

[8] 趙柏樹，操長茂.數字式頻率特性測試儀的設計[J].電子技術應用，2001（1）：38?40.

圖1 頻率特性測試儀原理圖

2 硬件設計

2.1 理論分析

由正交掃頻信號源產生L、Q兩路正交信號，將一路信號經過被測網絡；然后將被測網絡的輸出信號[uo]分別與正交信號進行混頻相乘，輸出[UI，][UQ，]各自經過一個低通濾波器，提取差頻信號，經過AD采樣送入單片機計算；再由單片機將電壓增益與相移送至顯示器上；繪制出幅頻和相頻特性曲線。公式（1）為被測網絡的輸出。其中，[A]為DDS輸出信號幅值；[m]為幅度增益；[φ]為相移。

[uo=Amcos（ωt+φ）] （1）

公式（2）、（3）為原信號與待測網絡輸出信號混頻相乘，并經過LPF濾波后輸出的兩路信號。

[UI=12Amcosφ] （2）

[UQ=12Amsinφ] （3）

公式（4）、（5）計算AD采樣的電壓值算出待測網絡的電壓增益和相移，從而得出幅頻和相頻特性。

[φ=arctanUQUI] （4）

[m=2U2I+U2QA] （5）

將電壓增益轉換為（單位dB）：

[Ag=20lg4+10lg（U2I+U2Q）+20lg（A?Us）] （6）

2.2 DDS電路

DDS電路是本系統中的關鍵電路，產生兩路正交掃頻信號。根據AD9854的數據手冊，DVDD和AVDD分別為數字電源和模擬電源，分別通過磁珠接入5 V電源中。在設計中加入若干貼片封裝的10 μF和0.1 μF的電容進行電源濾波，這樣才能保證信號輸出穩定。AD9854有四個字節的控制寄存（0x1D～0x20）需要配置，為了減少管腳的使用，采取了串行的配置方法。

2.3 AD603放大電路

DDS輸出的信號較小，輸出信號后面接一級放大電路，如圖2所示。

圖2 AD603放大電路

2.4 AD835乘法器電路

AD835是一款完整的四象限電壓輸出模擬乘法器，它產生[X]和[Y]電壓輸入的線性乘積，-3 dB輸出帶寬為250 MHz，如圖3所示。

圖3 AD835乘法器電路

2.5 OPA2690低通濾波器電路

首先確定截止頻率[f0]，由公式：

[AttdB=10?ln1+2πfx2πfc2n] （7）

式中：[f0]為濾波器的截止頻率；[n]是濾波器的階數；[fx]是頻率變量；[AttdB]是[fx]處的衰減。通過上式即可計算出濾波器的階數。查詢巴特沃斯歸一化表格，選擇滿足要求的歸一化濾波器，再經過反歸一化，換算出實際的元件參數，如圖4所示。

2.6 LM358放大電路

采用LM358構成低頻放大電路，對濾波器輸出的直流進行放大，以便后級AD采樣。如圖5所示。

2.7 AD設計

模數轉換電路的功能是對含有輸入信號大小、幅度和相位差信息的模擬電壓信號進行模數轉換，并把數據交給后續電路進行數據處理。考慮到單片機內部ADC已經大體滿足所需功能，決定采用MSP430F49內部自帶的ADC，并采用軟件進行濾波，采樣80次后取平均值。

圖4 OPA2690濾波器電路

圖5 LM358放大電路

3 軟件設計

3.1 功能框圖

如圖6所示，MSP430單片機為主控芯片，通過按鍵輸入控制整個系統。

圖6 程序功能框圖

3.2 主流程圖

如圖7所示，程序主要通過用按鍵實現對模式的選取，設定初值和顯示。主要模式有信號源模式和測量模式。信號源模式分為單頻輸出和掃頻輸出；測量模式分為點頻測量和掃頻測量。

圖7 程序流程圖

4 結 語

采用先進的 DDS AD9854技術和 MSP430 單片機技術相結合的方法，配合 AD公司和 TI 公司幾種不同的新型集成電路，完成了系統設計，實現了一個簡易的頻率特性測試儀。系統具有良好的人機接口，操作非常方便，供電可選性大大增強，整機也便于攜帶。其掃頻初始頻率及步進值能通過矩陣鍵盤進行設置，靈活性較好，適合高等學校等的電子技術、電子測量等課程的教學實驗應用，系統設計形成的硬件電路模塊和軟件程序也可用于學生的電子設計訓練。

參考文獻

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[5] 沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[6] 葉朝鋒，崔愛英，袁燕嶺，等.數字式電路系統頻率特性分析儀的研制[J].清華大學學報：自然科學版，2011，51（12）：1792?1795.

[7] 賽爾吉歐·佛朗哥.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計[M].西安：西安交通大學出版社，2009.

[8] 趙柏樹，操長茂.數字式頻率特性測試儀的設計[J].電子技術應用，2001（1）：38?40.