董寶玉 薛嚴(yán)冰 馬 馳 盛 虎

(大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)

頻率特性測(cè)試儀是一種測(cè)試網(wǎng)絡(luò)或者電路的頻率特性的儀器，又稱掃頻儀，它是現(xiàn)代電子測(cè)量領(lǐng)域的一種重要工具，可以用來(lái)測(cè)量信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)放大電路及濾波電路等雙端口網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性與相頻特性[1]，在工程領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。而在傳統(tǒng)的掃頻儀設(shè)計(jì)方法中，被測(cè)網(wǎng)絡(luò)幅頻特性與相頻特性的獲取，需要通過(guò)不同的電路模塊分別進(jìn)行峰值檢測(cè)與相位差測(cè)量[2]，導(dǎo)致其系統(tǒng)由多個(gè)模塊構(gòu)成,電路復(fù)雜且體積較大。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，頻率特性測(cè)試儀作為一種重要的測(cè)量?jī)x器，其設(shè)計(jì)理念也在不斷地革新，筆者采用零中頻正交解調(diào)技術(shù)進(jìn)行頻率

特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，符合小型化、數(shù)字化、低功耗的現(xiàn)代儀表設(shè)計(jì)發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)中采用直接頻率合成(DDS)芯片AD9854產(chǎn)生正交掃頻信號(hào)，并以低功耗單片機(jī)STM32作為任務(wù)控制與數(shù)據(jù)處理的核心部件。設(shè)計(jì)的頻率特性測(cè)試儀掃頻范圍為1～50MHz，幅度測(cè)量精度小于1dB,相位測(cè)量精度小于5°，能夠預(yù)置測(cè)量范圍和步進(jìn)頻率值，并在320×240彩色液晶屏上顯示被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線。

1 總體方案①

該頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)基于零中頻正交解調(diào)原理，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)采用DDS集成芯片AD9854產(chǎn)生正交掃頻信號(hào)，該芯片內(nèi)部整合了兩路高速、高性能正交D/A轉(zhuǎn)換器，通過(guò)數(shù)字化編程即可輸出I、Q兩路合成信號(hào)[3]。將這兩路信號(hào)分別通過(guò)七階橢圓低通濾波器LBP1進(jìn)行整形，然后通過(guò)放大隔直電路，獲得幅度滿足要求的正交信號(hào)，再對(duì)被測(cè)雙端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行基于正交解調(diào)原理的掃頻測(cè)量。

設(shè)通過(guò)放大隔直電路后，該正交信號(hào)的同相分量uI=A1cosωt,正交分量uQ=A1sinωt。設(shè)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)A(ω)=Av(ω)ejφ(ω)，那么同相分量uI通過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后獲得的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)電壓

u=A(ω)A1cos[ωt+φ(ω)]。

假設(shè)模擬乘法器增益系數(shù)為K，則經(jīng)過(guò)模擬乘法器后，同相分量支路的輸出為：

uI=KA1cosωt·Av(ω)A1cos[ωt+φ(ω)]

(1)

正交分量支路的輸出為：

uQ=KA1sinωt·Av(ω)A1cos[ωt+φ(ω)]

(2)

經(jīng)低通濾波器LBP2，濾掉各支路信號(hào)中的和頻分量，假設(shè)低通濾波器的通帶內(nèi)增益為B，則濾波后同相分量與正交分量分別為：

(3)

(4)

I、Q兩路信號(hào)經(jīng)ADC采樣后，在STM32中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)計(jì)算可得相移與電壓增益分別為：

(5)

(6)

設(shè)計(jì)中使乘法器增益系數(shù)K、正交信號(hào)振幅的平方A12與低通濾波LBP2通帶內(nèi)增益B三者之積為2，可以很方便地計(jì)算出Av。針對(duì)點(diǎn)頻輸入信號(hào)，利用式(5)、(6)可以獲得該頻率信號(hào)通過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的電壓增益和相移，而針對(duì)掃頻輸入信號(hào)，則可以獲得被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性曲線。

圖1中加法電路的作用是進(jìn)行電平調(diào)整，為后續(xù)的ADC數(shù)據(jù)采集提供合適的信號(hào)電壓，本設(shè)計(jì)采用STM32片內(nèi)ADC進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，其電壓測(cè)量范圍為0.0～3.3V。I、Q兩支路信號(hào)通過(guò)模擬乘法器和低通濾波后，獲得信號(hào)電壓的范圍為-1.0～+1.0V，因此需經(jīng)加法電路抬高其電平，使其滿足采樣要求。AD轉(zhuǎn)換后，應(yīng)用STM32對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)LCD顯示幅頻和相頻特性。

2 硬件電路

2.1 正交掃頻信號(hào)產(chǎn)生電路

采用數(shù)字頻率合成芯片AD9854產(chǎn)生掃頻信號(hào)，該芯片在高穩(wěn)定度時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，可產(chǎn)生頻率、相位、幅度可編程的正、余弦信號(hào)，其允許輸出的信號(hào)頻率高達(dá)150MHz[4]。筆者對(duì)AD9854外圍電路的設(shè)計(jì)如圖2所示。AD9854的參考時(shí)鐘引腳69連接30MHz有源晶振，通過(guò)程序設(shè)置片內(nèi)鎖相環(huán)，對(duì)其進(jìn)行10倍頻，可獲得300MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘。

圖2 正交掃頻信號(hào)產(chǎn)生電路

AD9854芯片內(nèi)部帶有兩個(gè)高速的正交DAC，可同時(shí)輸出I、Q兩路正交信號(hào)，兩DAC輸出通過(guò)相位補(bǔ)償互相影響，保持90°的相位差。AD9854的I、Q兩路DAC滿量程輸出電流的幅度由第56引腳連接的電阻RSET控制[5]，RSET的阻值計(jì)算公式如下：

RSET=39.3/IOUT

(7)

其中，IOUT為DAC滿量程輸出電流的振幅，該參數(shù)需合理設(shè)置，以使正交DAC獲得最佳的窄帶無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。本設(shè)計(jì)中RSET電阻取3.9kΩ，則IOUT為10mA。圖2中，I、Q兩路連接輸出電阻R5、R6均為50Ω，則DDS輸出最大電壓幅值為500mV。

I、Q兩路DAC的正交信號(hào)輸出端IOUT1、IOUT2需接低通濾波器，筆者設(shè)計(jì)了七階橢圓低通濾波器，該濾波器過(guò)渡帶下降迅速，其截止頻率為100MHz，通帶波紋則為0.05dB，阻帶最小衰減為50dB。該橢圓濾波器主要用于平滑信號(hào)，同時(shí)濾除高頻干擾和DDS諧波雜散信號(hào)。

2.2 STM32與AD9854接口電路

采用低功耗單片機(jī)STM32F103作為任務(wù)控制核心，其與AD9854的接口電路如圖3所示。STM32F103是一款基于ARM CortexTM-M3內(nèi)核的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC處理器[6]，具有32位硬件除法器和單周期乘法器，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，滿足本設(shè)計(jì)中關(guān)于數(shù)據(jù)處理部分的要求。且其I/O端口豐富，還具有3個(gè)12位的ADC，便于數(shù)據(jù)采集[7]。同時(shí)該芯片采用3.3V單電源供電，可直接對(duì)AD9854的引腳進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，無(wú)需額外的電平轉(zhuǎn)換電路，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。

圖3 STM32與AD9854的硬件連接

STM32F103與AD9854之間采用并行通信方式，AD9854的八位雙向并行編程數(shù)據(jù)輸入端口D[7:0]與STM32F103的PC口低8位相接，AD9854的六位并行地址總線輸入引腳A[5:0]與STM32F103的PC[13:8]相接。AD9854內(nèi)部設(shè)有40個(gè)8位寄存器，地址范圍為00H～27H，用于存儲(chǔ)控制字與狀態(tài)字。通過(guò)向這些內(nèi)部寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9854的工作控制,包括工作模式、輸出信號(hào)頻率、相位及幅度等。AD9854的控制字可通過(guò)STM32設(shè)定寄存器地址A[5:0]和數(shù)值D[7:0]，在WR信號(hào)的下降沿和上升沿寫(xiě)入。

2.3 模擬乘法器電路

乘法電路設(shè)計(jì)采用高速模擬乘法器AD835，它是一款完備的四象限電壓輸出模擬乘法器，3dB帶寬達(dá)到250MHz，且乘積噪聲低，其外圍電路設(shè)計(jì)如圖4所示。AD835的輸入電壓范圍為-1.0～+1.0V，具有兩個(gè)差分輸入端，分別為X1、X2和Y1、Y2，設(shè)計(jì)中將差分輸入的一端接地，另一端接乘法信號(hào)。該芯片將X、Y兩個(gè)輸入信號(hào)相乘后與Z引腳輸入電壓相加，再經(jīng)放大電路，由W引腳輸出。為保證AD835乘法器的乘性系數(shù)K=1，R1、R2的接法如圖4所示。調(diào)整R2，使R1/R2=20，此時(shí)乘法器的輸出W=XY+Z，將Z端接地，只進(jìn)行乘法運(yùn)算，則最終輸出W=XY。設(shè)計(jì)中為了保證輸入AD835的信號(hào)X、Y滿足幅值要求并且不包含直流分量，在低通濾波器LBP1后，增加一級(jí)由超高速運(yùn)放AD8009構(gòu)成的同相比例放大器，并采用隔直電容去除信號(hào)中的直流分量。

圖4 模擬乘法器外圍電路

2.4 二階有源低通濾波器

低通濾波器LBP2采用二階有源低通濾波器，該濾波器的作用是濾掉正交調(diào)制過(guò)程中產(chǎn)生的頻率為2ω的信號(hào)分量。設(shè)掃頻時(shí)間為TS，共掃描N個(gè)頻點(diǎn)，則掃描每個(gè)頻點(diǎn)的時(shí)間為TS/N，選取4倍時(shí)間常數(shù)，低通濾波器的截止頻率fc=4N/TS，本設(shè)計(jì)中掃頻時(shí)間TS取2s，頻點(diǎn)數(shù)最大取500，計(jì)算得fc為1kHz。為保證余量，設(shè)計(jì)中選取截止頻率fc=2kHz。筆者采用精密運(yùn)算放大器OP27設(shè)計(jì)二階Butterworth低通濾波器，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用Sallen-Key結(jié)構(gòu)，且電壓增益為2。

3 軟件部分

系統(tǒng)的軟件部分主要包括系統(tǒng)主程序、鍵盤(pán)掃描子程序、AD9854控制子程序、模/數(shù)轉(zhuǎn)換子程序及液晶顯示子程序等。主程序首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，配置STM32的GPIO端口，初始化LCD、AD9854和片內(nèi)ADC，然后等待按鍵輸入，進(jìn)行測(cè)量模式選擇。模/數(shù)轉(zhuǎn)換子程序?qū)ζ瑑?nèi)ADC進(jìn)行配置，并實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頻、掃頻測(cè)量數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和多次采樣確認(rèn)。液晶顯示子程序完成幅頻、相頻特性的顯示、清屏及字符顯示等功能。AD9854控制子程序完成DDS芯片工作模式選擇、正交掃頻信號(hào)頻率設(shè)置及掃頻信號(hào)振幅設(shè)置等功能。軟件主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程

限于篇幅，只列出關(guān)于AD9854工作模式設(shè)置和正交信號(hào)幅度、頻率設(shè)置的部分程序代碼：

//設(shè)置AD9854工作模式選擇為single-tone，對(duì)參考時(shí)鐘進(jìn)行10倍頻，由PIN20引腳外部刷新頻率

unsigned char mode1[4]={0x00,0x4A,0x00,0x60};

//默認(rèn)初始頻率1MHz，頻率字FW根據(jù)公式fOUT=(fSYSCLK×FW)/2N計(jì)算得出

unsigned char freq[6]={0x00,0xDA,0x74,0x0D,0xA7,0x41};//信號(hào)頻率控制字

unsigned char signalAM1[2]={0xFf,0Xff};//信號(hào)幅度控制字

unsigned char signalAM2[2]={0XFf,0Xff};//信號(hào)幅度控制字

AD9854_Reset();

AD9854_SetSpecialWord(mode1);//設(shè)置AD9854的工作模式

AD9854_SetOutkeyI(signalAM1);//設(shè)置I支路信號(hào)振幅

AD9854_SetOutkeyQ(signalAM2);//設(shè)置Q支路信號(hào)振幅

AD9854_SetFreq1(freq);//設(shè)置正交信號(hào)頻率

AD9854_IOUpdate();//頻率刷新

其中調(diào)用的部分子程序如下：

void AD9854_SetSpecialWord(unsigned char*SWord)//向地址寄存器0x1D～0x20寫(xiě)入控制字，設(shè)置AD9854的工作模式

{ unsigned char i;

unsigned char Special_addr=0x1D;

for(i=0;i<4;i++)

{WriteByte(Special_addr+i,SWord[i]);

delay_us(200);}}

void AD9854_SetFreq1(unsigned char*freq)//向地址寄存器0x04～0x09寫(xiě)入頻率控制字1

{unsigned char i;

unsigned char freq_addr=0x04;

for(i=0;i<6;i++)

{ WriteByte(freq_addr+i,freq[i]);

delay_us(200);}}

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的頻率特性測(cè)試儀，可對(duì)雙端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行點(diǎn)頻測(cè)量和1～50MHz的掃頻測(cè)量，掃頻模式可手動(dòng)預(yù)置測(cè)頻范圍和步進(jìn)頻率值。其輸出結(jié)果可通過(guò)液晶顯示，系統(tǒng)界面友好，工作穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，并滿足低功耗的要求。

由于掃頻測(cè)量法是一種穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法，它需要等到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)后才能測(cè)量。因此本設(shè)計(jì)中并沒(méi)有設(shè)置太快的掃頻測(cè)量速度，并且在STM32發(fā)送頻率控制字與獲取ADC采樣轉(zhuǎn)換值之間進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难訒r(shí)。否則如果被測(cè)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)建立時(shí)間長(zhǎng)，而掃頻測(cè)量速度太快，會(huì)形成建立誤差，使測(cè)得的特性曲線畸變失真。