基于AD9854和FPGA的頻率特性測試儀

摘要：基于零中頻正交解調(diào)原理的頻率特性測試儀，用于檢測被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性。系統(tǒng)采用集成數(shù)字直接頻率合成器AD9854產(chǎn)生雙路恒幅正交余弦信號，作為掃頻信號源，以FPGA為控制核心和運算平臺，結(jié)合濾波器、放大器、混頻器及ADC電路，實現(xiàn)對雙端口網(wǎng)絡(luò)在1-40MHz頻率范圍內(nèi)頻率特性的點頻和掃頻測量，并在LCD屏上實時顯示相頻特性曲線和幅頻特性曲線。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/271655.htm

關(guān)鍵字：正交解調(diào)；AD9854；FPGA；頻率特性

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.3.020

本項目獲得“瑞薩杯”2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽一等獎

引言

AD9854數(shù)字合成器是高度集成的器件，它采用先進(jìn)的DDS技術(shù)，片內(nèi)整合了兩路高速、高性能正交D/A轉(zhuǎn)換器，在高穩(wěn)定度時鐘的驅(qū)動下，AD9854可產(chǎn)生頻率穩(wěn)定、相位、幅度可編程的正弦和余弦信號。基于這個特性，AD9854非常適合作網(wǎng)絡(luò)頻率特性測試儀的信號源。采用FPGA控制AD9854的信號輸出和ADS7813的采樣時序，靈活方便，F(xiàn)PGA有豐富的邏輯資源和高速運算能力，提高了系統(tǒng)的實時性。

1 系統(tǒng)原理及方寨設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理

A為正交信號源的幅度，為恒定值，由此可計算得到待測信號的幅度值。

取兩個直流信號比值，再取其反正切，可得相位差

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由集成DDS芯片AD9854產(chǎn)生兩路頻率范圍為1MHz-40MHz的正交恒幅掃頻信號，經(jīng)無源巴特沃斯低通濾波器濾波后由寬帶運算放大器放大輸出。將一路信號作為待測網(wǎng)絡(luò)的信源，再將待測網(wǎng)絡(luò)的輸出信號分別與掃頻信號源產(chǎn)生的兩路正交信號混頻，分別由低通濾波器濾除高頻信號得到直流信號，由兩個AD分別采集后送入FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到被測網(wǎng)絡(luò)輸出信號幅度和相位，同時顯示測得網(wǎng)絡(luò)參數(shù)并畫出幅頻特性曲線和相頻特性曲線。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2 電路設(shè)計

2.1 DDS掃頻信號源

AD9854的DDS核具有48位的頻率分辨率（在300M系統(tǒng)時鐘下，頻率分辨率可達(dá)luHz），輸出14位相位截斷保證了良好的無雜散動態(tài)范圍指標(biāo)。由于時鐘為300MHz時，產(chǎn)生40MHz信號一個周期內(nèi)只有7個點，因此設(shè)計一個7階無源橢圓低通平滑濾波器可以使波形無明顯失真，實際得到的信號信噪比大于40dB。橢圓濾波器用軟件Filter Solution設(shè)計，如圖2所示。

2.2 放大器

2.3混頻器

2.4低通濾波器

混頻器的輸出信號包含一個高頻信號和一個直流信號分量，因此一個簡單的RC低通濾波器就可以達(dá)到濾除高頻信號保留直流分量的效果。設(shè)計的濾波器截止頻率為lkHz，后接一級直流放大器，將信號放大至合適大小，以便提高ADC的采集精度。

2.5 ADC設(shè)計

AD采集的信號為雙極性，且信號幅度跨度大，這對ADC精度要求較高。系統(tǒng)選用16位ADS7813實現(xiàn)。ADS7813是串行AD，其SINAD=85dB，ENOB（有效位）=（SINAD-1.76）/6.02，計 2.6待測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

3系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)以FPGA為控制核心，控制AD9854產(chǎn)生正交信號，進(jìn)行功能選擇以及數(shù)據(jù)處理。開機初始化后進(jìn)入功能按鍵等待狀態(tài)，功能按鍵包括頻率步進(jìn)設(shè)置、掃頻起始與終止頻率設(shè)置、單點頻率設(shè)置、幅頻特性和相頻特性測量與顯示等。軟件流程圖如圖5所示。

4 誤差分析

系統(tǒng)誤差來源主要包括：（1）掃頻信號源的正交性。系統(tǒng)設(shè)計基于正交解調(diào)原理，信號源正交性的偏差直接導(dǎo)致測量結(jié)果誤差增大。AD9854產(chǎn)生的正交信號正交性誤差較小。（2）系統(tǒng)布局布線。整板信號為高頻信號，對PCB電路的布局布線要求較高，尤其是AD9854外圍電路布局，數(shù)字和模擬部分應(yīng)分開，數(shù)字地和模擬地之間單點共地，且應(yīng)做好電路每一處電源的去耦。（3）混頻器的直流漂移。混頻器是系統(tǒng)的核心器件，器件的直流漂移直接導(dǎo)致濾波器輸出的直流信號的誤差。實際測量時AD835輸出有40mV左右的固定直流偏移，根據(jù)AD835的特性在其Z輸入引腳設(shè)計調(diào)零電路，使輸出直流漂移為O。

5 結(jié)語

系統(tǒng)完成簡易頻率特性測試儀的全部功能和指標(biāo)，信號幅度平衡誤差≤1.4%，相位差誤差絕對值≤1.30°，掃頻頻率范圍及步進(jìn)在1MHz-40MHz之間可任意設(shè)置，步進(jìn)為lOOkHz時單次最大掃頻時間為1.2s。頻率特性測試儀輸入輸出阻抗為50Ω，可進(jìn)行點頻和掃頻測量；幅頻特性測量誤差絕對值小于0.5dB，相頻特性測量誤差絕對值小于50；電壓增益顯示的分辨率為O.ldB，相位顯示分辨率為o.l°。