陳小橋, 李希希, 李 哲, 李 卓

(武漢大學(xué) a. 電子信息學(xué)院； b. 物理學(xué)院， 湖北 武漢 430072)

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基于FPGA和MSP430的頻率特性測試儀

陳小橋a, 李希希a, 李 哲b, 李 卓a

(武漢大學(xué) a. 電子信息學(xué)院； b. 物理學(xué)院， 湖北 武漢 430072)

以FPGA和MSP430F6638為控制核心，主要包含信號源、被測網(wǎng)絡(luò)、檢波及顯示部分。其中，測試信號源基于DDS原理，可以實現(xiàn)0.1～150 kHz的掃頻，最小步進10 Hz，穩(wěn)定度優(yōu)于10-4，測量精度1%。并設(shè)計制作了中心頻率5 kHz，帶寬±50 Hz的阻容雙T網(wǎng)絡(luò)。檢波部分采用高性能芯片AD637測量雙T網(wǎng)絡(luò)輸出信號的有效值，通過單片機計算峰值；并將輸出、輸入信號分別放大整形得到穩(wěn)定的方波輸入FPGA計算相差，從而繪制幅頻特性曲線和相頻特性曲線?？梢酝ㄟ^鍵盤設(shè)置步進，切換幅頻特性曲線、相頻特性曲線的顯示界面，以及其他參數(shù)的顯示和查看。整個系統(tǒng)是單片機和FPGA的有機結(jié)合、協(xié)同控制下，工作穩(wěn)定，測量精度高，人機交互靈活。

DDS； 相頻特性； 幅頻特性； 掃頻； 雙T網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

頻率特性的分析在模擬電路的設(shè)計、應(yīng)用中十分重要，很多情況下都需要對信號進行掃頻分析，根據(jù)需要提取幅頻特性與相頻特性等信息。

本文基于FPGA和MSP430F6638設(shè)計制作一個頻率特性分析儀，采用DDS制作信源，能有效地提高信號的穩(wěn)定性，通過FPGA和集成真有效值檢測芯片，較準確地繪出了幅頻特性曲線，通過比較飽和放大后，模塊的輸入輸出信號得到相位差，繪制出相頻特性曲線，另外也改進了阻容雙T測試網(wǎng)絡(luò)，以期達到更好的穩(wěn)定性和精度，提高人機交互性能，也便于平時實驗中的使用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)以FPGA和單片機MSP430F6638為控制核心，包括信源產(chǎn)生電路、被測網(wǎng)絡(luò)、有效值檢測電路、相位檢測電路以及鍵盤和LCD界面顯示部分[1]。具體的實現(xiàn)方框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框圖設(shè)計

本系統(tǒng)采用DAC904產(chǎn)生標準的正弦信號，經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)化并進一步放大輸入到雙T網(wǎng)絡(luò)，在輸出端通過有效值檢測芯片AD637網(wǎng)絡(luò)得到輸出信號的有效值，再通過ADS8505傳送給單片機計算出其峰值并存儲。另外，將雙T網(wǎng)絡(luò)的輸入端和輸出端分別接入測相網(wǎng)絡(luò)的兩個輸入端，通過低噪聲高速放大器OPA690飽和放大后再經(jīng)高速比較器TL3016滯回比較得到方波接入FPGA，計算出信號經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的相位變化，用等精度測量法測頻，掃頻，再根據(jù)計算出的幅度和相位繪制出幅頻特性曲線和相頻特性曲線，并在液晶屏LCD12864上實時顯示。外圍電路接有鍵盤，除軟件自動掃頻外，還可以手動控制頻率步進，并實現(xiàn)幅頻特性曲線和相頻特性曲線界面的切換，使界面友好、美觀。

2 方案設(shè)計

2.1 被測信號源

被測信號源一般采用直接數(shù)字頻率合成器DDS產(chǎn)生[2-4]。采用DAC，用RAM存儲所需波形的量化數(shù)據(jù)，按不同的頻率要求以頻率控制字K為步進對相位增量進行累加，以累加相位值作為地址碼取出雙口RAM中的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，再低通濾波，適度放大得所需波形。DDS相對帶寬很寬、頻率轉(zhuǎn)換時間短(可小于20 ns)、頻率分辨率高(典型值為0.001 Hz)，而且全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實現(xiàn)程控，理論上講，只要累加器的位數(shù)足夠多，便能夠?qū)崿F(xiàn)任意波形。

由于本題的頻率范圍較小，故選擇14位高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC904做DDS芯片產(chǎn)生所需的正弦信號，完全可以達到要求，且功耗較小，較為簡便。

2.2 幅度測量

檢波二極管構(gòu)成的峰值檢測電路，實現(xiàn)簡單，在很寬的頻帶內(nèi)的輸出基本不變，在1～2 V誤差很小(1%)，且便于數(shù)據(jù)擬合。但由于電容充放電特性造成的低頻效應(yīng)，在頻率低于100 Hz時測量誤差較大，更適用于高頻信號峰值檢測。

高精度、寬帶真有效值檢波專用芯片AD637量程在0～7 V范圍內(nèi)可調(diào)，當輸入電壓200 mV(RMS)時，頻率上限為600 kHz；大于1 V(RMS)時頻率上限8 MHz，電路在測量峰值因數(shù)高達10的信號時附加誤差僅為1%。但頻率1 MHz以上的信號衰減很快，不適合高頻測量，恰好本系統(tǒng)頻率范圍較小，故采用AD637電路實現(xiàn)對正弦波的幅度測量。

2.3 相位測量

如圖2所示，將待測的兩路信號分別整形為方波信號，送到鑒相器，電壓的直流成分反映了兩路信號的相差，將輸出電壓經(jīng)低通濾波取出直流成分，送到A/D采樣，就能計算出兩路信號的相差。此法將相位轉(zhuǎn)換為電壓，操作簡單，可以測量高頻信號的相位差，但測量速度較慢，且由于存在濾波器，精確度較低[7]。

也可采用兩片高速A/D轉(zhuǎn)換芯片同時對輸入、輸出信號進行等時間間隔采樣并將采樣結(jié)果分別存儲，然后對所測信號的波形數(shù)據(jù)進行分析。 掃描存儲在RAM中的波形數(shù)據(jù)，查找兩部分數(shù)據(jù)的最大值或最小值，計算兩片A/D轉(zhuǎn)換器采集兩部分波形數(shù)據(jù)的最大值或最小值的時間間隔，則信號的相位差為：

(1)

其中：ΔΤ為兩路信號相鄰極值的時間間隔；T為信號周期。但此法對AD要求很高，測量頻率范圍很小。

經(jīng)綜合考慮，為減小量化誤差，提高測量精度，采用計數(shù)法，將待測的兩路信號放大后分別經(jīng)過比較器，對輸出的方波進行異或操作，所得脈沖的占空比反映相位差的大小，利用D觸發(fā)器產(chǎn)生1個寬度為整個被測信號周期整數(shù)倍的同步閘門信號，將同步閘門信號與時鐘脈沖相與后送入計數(shù)器1進行計數(shù)，計數(shù)值為N1，將同步閘門信號、時鐘脈沖、異或脈沖三者相與后送入計數(shù)器2進行計數(shù)，計數(shù)值為N2，則相位差為：

(2)

2.4 頻率特性曲線的顯示

曲線顯示可采用YT模式，也可采用XY模式。根據(jù)實驗室資源本系統(tǒng)采用LCD液晶屏，通過打點描繪實現(xiàn)頻率特性的顯示。

3 具體硬件電路設(shè)計

硬件電路主要包括信源、被測網(wǎng)絡(luò)、幅度測量、相位測量模塊。下面分別介紹這4個模塊。

3.1 信源模塊

如圖3所示，信源模塊由DDS信號產(chǎn)生電路組成，F(xiàn)PGA輸出信號經(jīng)DAC904轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)OPA690進行I/V轉(zhuǎn)換[8-9]，即得到所需的正弦波。

3.2 被測網(wǎng)絡(luò)模塊

被測網(wǎng)絡(luò)是一個中心頻率5 kHz，帶寬±50 Hz的阻容雙T網(wǎng)絡(luò)。無源網(wǎng)絡(luò)的中心頻率由RC值決定，由

(3)

可以算出RC值為3.18×10-5。通過仿真軟件的仿真結(jié)果可以明顯看出，無源網(wǎng)絡(luò)的帶寬不能滿足題目要求，必須采用有源雙T網(wǎng)絡(luò)才能達到50 Hz的帶寬[10]。

如圖4，有源帶阻濾波網(wǎng)絡(luò)后接運放作為反饋網(wǎng)絡(luò)，再加一個運放提供反饋環(huán)路的增益，同時又起到對雙T網(wǎng)絡(luò)的隔離作用。電路采用低噪聲低偏置精密放大器OPA277，可提高峰峰值測量的精度[12]。雙T網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線見圖5。

3.3 幅度測量模塊

采用AD637實現(xiàn)有效值檢波，為進一步提高測量準確度，可利用外部調(diào)整元件來減小有源整流器的非線性誤差。平均電容用來設(shè)定平均時間常數(shù)，并決定低頻準確度、輸出波紋的大小和穩(wěn)定時間。AD637的輸出需通過AD8505進行AD轉(zhuǎn)換傳給單片機計算峰值。具體電路見圖6。

圖5 頻率特性曲線

3.4 相位測量模塊

前級采用高速放大器OPA690對信號進行飽和放大，后級采用高速比較器TL3016構(gòu)成帶有微小正反饋的滯回比較電路，以便輸出穩(wěn)定的方波。再將方波接入FPGA處理，進行相位測量。由于在中心頻率附近信號衰減很大，因此放大倍數(shù)要足夠大，才能通過后級的比較門限正確輸出方波。為了測量雙T網(wǎng)絡(luò)的輸出信號相比于輸入信號的相位變化，需要兩路完全一樣的放大整形電路。具體電路如圖7。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，以FPGA和單片機為控制核心，有主程序、掃頻DDS生成模塊、幅值測量模塊、相位測量模塊、鍵盤以及顯示模塊等。

軟件設(shè)計的基本思路是：用FPGA驅(qū)動DDS產(chǎn)生一路正弦掃描信號，并且可以通過鍵盤手動控制步進，通過計算AD輸入的有效值計算出幅值，同時將相位測量模塊輸出的方波進行比較，計算出相差，即可畫出信號的頻率特性曲線，并在LCD屏上打點顯示。系統(tǒng)軟件流程圖見圖8。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)制作的幅頻特性測試儀基本實現(xiàn)了幅頻特性和相頻特性能的準確測量與顯示。頻率范圍為100～100 kHz，測量精度1% 。在全頻范圍和特定頻率范圍內(nèi)可自動步進測量(時間5 s)，可手動預(yù)置測量范圍及步進頻率值，最小步進10 Hz，效果良好。DDS頻率穩(wěn)定度為10-4；LCD頻率顯示5位，電壓顯示3位。

其中測量誤差主要和AD、DA的精度，直流電源的紋波以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性有關(guān)。系統(tǒng)設(shè)計過程中，要注意整體架構(gòu)，芯片的選擇要考慮全面，例如速度、噪聲、擺率、供電電壓等。在電路設(shè)計焊接時注意布線布局，盡量系統(tǒng)的噪聲，提高測量精度[16-17]。還要注意自制電源的質(zhì)量，盡量減小紋波噪聲等，減小對系統(tǒng)性能的影響。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

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A Tester for Frequency Response Characteristic Based on FPGA and MSP430

CHENXiao-qiaoa,LIXi-xia,LIZheb,LIZhuoa

(a. College of Electronic Information; b. School of Physics, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

This system is based on FPGA and MSP430F6638, which contains the signal generator, tested network, wave-checking and the display.The signal generator is based on DDS principle,which can sweep frequency from 100 Hz to 150 kHz.The smallest step is 10 Hz, the stability is higher than 10-4, and the measuring accuracy is 1%. Meanwhile, the author designed RC Twin-T network with a 5 kHz center frequency and bandwidth ±50 Hz. In the wave-checking part, we got the valid value of the output by AD637, and then the SCM calculate the peak. After the output signal is amplified and shaped, then put it in FPGA, and compared two square waves to obtain their difference. And the amplitude-frequency characteristic curve and phase-frequency characteristic curve could be drawn. We can set the step of frequency,change the interface between amplitude-frequency characteristic curve and phase-frequency characteristic curve, as well as other parameters to display through the keyboard. The entire system combined from a single chip and FPGA is stable, accurate and flexible.

DDS; phase-frequency characteristic; amplitude-frequency characteristic; swept signal; twin-T network

2015-03-01

武漢大學(xué)教改項目(610400022)

陳小橋(1960- )，男，湖北武漢人，碩士，教授級高級工程師，實驗中心主任，國家教育部實驗室建設(shè)指導(dǎo)委員會成員，長期從事檢測技術(shù)及儀器研究工作。

Tel.:13507160188; E-mail:cxq@whu.edu.cn

TM 935.23

A

1006-7167(2015)08-0068-05