孫 銳，朱 軍，丁大為

（安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院，合肥　230601）

基于DDS模塊的簡易數(shù)字頻率特性測試儀設(shè)計(jì)

孫 銳，朱 軍，丁大為

（安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院，合肥230601）

本文基于DDS技術(shù)設(shè)計(jì)了一套簡易數(shù)字頻率特性測試儀。本系統(tǒng)由DDS模塊、單片機(jī)、液晶顯示屏、鍵盤、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)調(diào)理電路組成。單片機(jī)控制DDS模塊產(chǎn)生特定頻率的正弦信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路緩沖、放大后送入被測網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)采樣保持電路調(diào)理后送入ADC采樣，最終經(jīng)單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后在液晶屏上顯示特性曲線并給出特征信息。經(jīng)實(shí)物測試，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有人機(jī)交互友好、頻率測試范圍廣、硬件易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

DDS；頻率特性；采樣保持；寬帶放大器

0　引 言

在電子測量領(lǐng)域中，頻率特性測試儀是非常重要的組成部分，可以直觀描述系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，從而對(duì)系統(tǒng)性能的優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持［1］。其中，測試信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)成為決定整體系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。DDS（Direct Digital Synthesizer，直接數(shù)字合成器）技術(shù)，可以在保證較高的頻率分辨率和連續(xù)相位的情況下實(shí)現(xiàn)快速的頻率變換［2］，因此，DDS在現(xiàn)代函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)中應(yīng)用極為廣泛［3］?；诖?，結(jié)合ADC與主控電路，本文設(shè)計(jì)了一款簡易頻率特性測試儀，其具有測量范圍寬、頻率精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，且人機(jī)交互友好，在行業(yè)應(yīng)用中具有一定的實(shí)際意義和參考價(jià)值。

1　系統(tǒng)測量方案

系統(tǒng)架構(gòu)主要由DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器電路、采樣電路和顯示電路組成。系統(tǒng)整體組成架構(gòu)如圖1所示。單片機(jī)向DDS模塊發(fā)送頻率控制字后，DDS產(chǎn)生特定頻率的正弦信號(hào)，經(jīng)放大、緩沖處理后送入被測網(wǎng)絡(luò)。在相應(yīng)的輸出端通過采樣電路測得其幅值。最后經(jīng)由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，驅(qū)動(dòng)12864液晶顯示測量結(jié)果，并給出特征點(diǎn)信息。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Block diagram of system design

2　測試電路及軟件設(shè)計(jì)

2.1 DDS信號(hào)源電路設(shè)計(jì)

對(duì)于正弦信號(hào)發(fā)生器，經(jīng)基準(zhǔn)時(shí)鐘抽樣后，結(jié)果輸出可以用下式描述：

其中，Sout為輸出信號(hào)，fout為對(duì)應(yīng)頻率，θ為相位，BΔθ為每個(gè)周期的相位增量。

由此，只要對(duì)相位的量化值進(jìn)行簡單的累加運(yùn)算，就可以得到正弦信號(hào)的當(dāng)前相位值。DDS技術(shù)正是基于此原理而形成的。

在本次研究設(shè)計(jì)中，DDS芯片采用由美國ADI公司出品的AD9850［4］。該款標(biāo)準(zhǔn)主要由可編程DDS系統(tǒng)、高性能數(shù)模變換器（DAC）和高速比較器構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。最高時(shí)鐘可達(dá)125 MHz，輸出頻率分辨率最低可達(dá)0.029 1Hz。完全可滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。由于DDS輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力較弱，且極易受到負(fù)載變化的影響，故在后級(jí)應(yīng)加入緩沖放大電路以增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力［5］，從而達(dá)到適配不同負(fù)載的能力。放大電路如圖2所示。

圖2　緩沖放大電路設(shè)計(jì)Fig.2 Circuit design of buffer&lifier

圖中放大器采用TI出品的電流反饋型運(yùn)算放大器，實(shí)際帶寬已高達(dá)450 MHz，可以輕松滿足后級(jí)放大需求。并且，C5 -C8為電源濾波電容，濾除經(jīng)由電源引入的噪聲信號(hào)。R2和R5則為阻抗匹配電阻。

2.2采樣電路設(shè)計(jì)

由于被采樣信號(hào)為高頻交流信號(hào)，若直接提高ADC芯片的采樣率并非最佳策略，而且具有較高采樣率的ADC芯片其采樣精度往往較低。考慮到本設(shè)計(jì)采用點(diǎn)頻法測量，頻率的變化是離散的，切換之間存在一定時(shí)間間隔。對(duì)此，可在ADC前添加采樣保持電路，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為相同峰值的直流信號(hào)［6］。這將極大地降低對(duì)ADC采樣率的需求，同時(shí)也提高了精度。采樣保持電路如圖3所示。其中C1和R3分別為充電電容和放電電阻，實(shí)際電路設(shè)計(jì)中可以根據(jù)頻率測量范圍微調(diào)其參數(shù)。比較器的同相輸入端接輸入信號(hào)，反相輸入端接輸出信號(hào)，通過比較輸入輸出電壓使得電容上的電壓與輸入信號(hào)的峰值保持一致，從而將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為相同幅值的直流信號(hào)［7］。

ADC芯片采用具有16位分辨率的ADS1115。此芯片內(nèi)部集成電壓基準(zhǔn)、振蕩器和可編程增益放大器。其中PGA（程控放大器）可以提供從電源電壓直至±256 mV的輸入范圍，因而在測量大信號(hào)和微弱信號(hào)時(shí)均能保證高分辨率。如此之高的集成度將大大減少軟件的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)展現(xiàn)硬件高集成度的性能優(yōu)勢。

圖3　采樣保持電路設(shè)計(jì)Fig.3 Circuit design of sample holding

2.3單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

主控芯片采用AT89S52，其中的12 MHz的主頻完全可以滿足本系統(tǒng)要求，配合12864液晶作為顯示模塊，采用鍵盤作為輸入設(shè)備，通過顯示菜單進(jìn)行測量功能的選擇［8］。軟件流程圖如圖4所示。

圖4　單片機(jī)軟件流程圖Fig.4 Flow chart of MCU software

3　結(jié)束語

基于DDS技術(shù)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器能在頻率快速切換的同時(shí)保持較高的頻率分辨率。通過單片機(jī)控制DDS模塊產(chǎn)生特定的正弦信號(hào)，送入被測網(wǎng)絡(luò)后經(jīng)ADC采樣獲取其頻率響應(yīng)曲線。本文針對(duì)便攜式的簡易頻率特性測試儀提出了一種解決方案，具有一定的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

［1］劉艷云，朱雷.基于MSP430單片機(jī)和DDS技術(shù)的頻率特性測試儀的設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2011，34（5）：521-524.

［2］吳銀標(biāo)，謝華，付在明.基于AD9854的DDS+PLL的時(shí)鐘源設(shè)計(jì)［J］.電子測量技術(shù)，2011，34（8）：60-62.

［3］范照盛，崔竹，胡志慧.一種基于DDS的寬帶頻率合成器設(shè)計(jì)［J］.國外電子測量技術(shù)，2011，30（1）：32-34，42.

［4］牛耕，陳思宇，于繼翔.基于DDS技術(shù)的正弦交流信號(hào)源的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（3）：52-56.

［5］樊玉蘭.高頻小信號(hào)諧振放大電路時(shí)域與頻域?qū)Ρ确治觯跩］.電子技術(shù)，2011（7）：24-25.

［6］趙巖，敬守釗.高速采樣保持電路設(shè)計(jì)［J］.電子質(zhì)量，2011（9）：4-6.

［7］呂富勇，周瑞卿，阮世陽，等.高頻磁場檢測中采樣保持器的設(shè)計(jì)及其性能分析［J］.電子測量技術(shù)，2015，38（8）：13-16.

［8］呂念芝，張?zhí)熘?基于DDS的數(shù)字式頻率特性測試儀的軟件設(shè)計(jì)［J］.菏澤學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，37（2）：24-28.

Design of simple digital frequency characteristic analyzer based on DDS module

SUN Rui，ZHU Jun，DING Dawei
（School of Electronic Information Engineering，Anhui University，Hefei 230601，China）

This paper designs a simple digital frequency characteristic analyzer based on DDS technology.The system consists of DDS module，MCU，LCD display，keyboard，ADC and signal conditioning circuit.The DDS module is controlled by MCU to generate sinusoidal signal of specific frequency.After buffering and amplifying by the signal conditioning circuit，the sinusoidal wave is sent to the network for test.Then，the ADC samples the signal processed by the sample holder.Finally，after data processing，the characteristic information is displayed on LCD display.The experimental results have demonstrated the effectiveness of the system design，and it has the advantages of friendly human-computer interaction，wide-range of frequency test，simple hardware structure，and has high application value.

DDS；frequency characteristic；sample holding；wide-band amplifier

TP391

A

2095-2163（2016）03-0117-02

2016-05-17

安徽大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（J18520170）；安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目（2013zjjh003）；安徽省校企合作實(shí)踐教育基地建設(shè)項(xiàng)目（2014sjjd007）。

孫 銳（1995-），男，本科生，主要研究方向：嵌入式開發(fā)、通信與電子技術(shù)；朱 軍（1968-），女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：信號(hào)與信息處理、通信與電子技術(shù)；丁大為（1977-），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：信號(hào)與信息處理、通信與電子技術(shù)。