張雅希 任超

摘? ?要：文章以零中頻正交解調(diào)為原理，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)易頻率特性測(cè)試儀原型。測(cè)試儀主要由正交掃頻信號(hào)源、零中頻解調(diào)網(wǎng)絡(luò)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、外部按鍵及液晶顯示模塊構(gòu)成，無(wú)線鏈路控制串聯(lián)諧振電路用作被測(cè)網(wǎng)絡(luò)。正交信號(hào)源由DDS專用芯片以及單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，零中頻解調(diào)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)模擬乘法器、低通濾波器等構(gòu)成的硬件電路實(shí)現(xiàn)。經(jīng)測(cè)試，本設(shè)計(jì)能在1～40 MHz范圍內(nèi)準(zhǔn)確完成對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)頻率特性和相頻特性的測(cè)試及顯示。

關(guān)鍵詞：頻率特性測(cè)試;零中頻正交解調(diào);模擬乘法器

頻率特性測(cè)試儀是專門用于測(cè)量電路網(wǎng)絡(luò)頻率特性的儀器，在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試以及高等院校的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)中都占有重要地位[1]。頻率特性測(cè)試儀中掃頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)是決定整體系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，而直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（Digital Frequency Synthesis Technology，DDS）因具有頻率分辨高、頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)相位變化連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)[2]，在信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用?；诖?，結(jié)合C8051F020單片機(jī)自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital Converter，ADC）功能，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款簡(jiǎn)易頻率特性測(cè)試儀，能在中低頻1～40 MHz范圍內(nèi)準(zhǔn)確地顯示出被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性和相頻特性曲線[3]。

1? ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 總體設(shè)計(jì)方案

本簡(jiǎn)易頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：可在1～40 MHz頻率范圍內(nèi)掃頻輸出（最小步進(jìn)100 kHz）、幅頻特性、相頻特性曲線通過(guò)液晶屏幕顯示，同時(shí)支持點(diǎn)頻測(cè)量?？傮w設(shè)計(jì)方案如圖1所示：C8051F020單片機(jī)配合AD9854 DDS專用集成芯片，產(chǎn)生正交掃頻信號(hào);正交信號(hào)經(jīng)由乘法器、低通濾波器（LPF）構(gòu)成的零中頻解調(diào)網(wǎng)絡(luò)，輸出同相分量I和正交分量Q的直流信號(hào);C8051F020本身配置有8位及12位ADC，模擬直流信號(hào)經(jīng)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理，求得相應(yīng)的幅度和相位數(shù)據(jù)，在液晶屏上輸出顯示頻率特性曲線。

1.2? 系統(tǒng)原理分析

假設(shè)正交掃頻信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)為Acos（ωt），其通過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后輸出的信號(hào)為Bcos（ωt+φ）。則同相分量支路：

（1）

低通濾波后（假設(shè)濾波器對(duì)幅度的影響為C）：

（2）

類似的，可計(jì)算得到正交分量支路：

（3）

低通濾波后（假設(shè)濾波器對(duì)幅度的影響為C）：

（4）

由（2）式和（4）式，可得相位：（5）

幅度：（6）

1.3? 硬件設(shè)計(jì)

正交掃頻信號(hào)源由C8051F020單片機(jī)、AD9854專用集成芯片及其所需外圍電路實(shí)現(xiàn)，其可通過(guò)編程的方法對(duì)波形的頻率、相位和幅度進(jìn)行修改。零中頻解調(diào)網(wǎng)絡(luò)主要由模擬乘法器、低通濾波器等構(gòu)成。設(shè)計(jì)選用的AD835是一款完整的四象限電壓輸出模擬乘法器。經(jīng)乘法器以及低通濾波電路輸出的信號(hào)為直流信號(hào)，其大小在-1～+1 V，而單片機(jī)只能對(duì)正電壓的直流信號(hào)進(jìn)行處理，因此需給乘法器的求和輸入端Z加上一個(gè)大于1 V的直流偏置，直流偏置電壓可通過(guò)可控穩(wěn)壓源配合電阻分壓的方式獲得，具體的乘法器電路如圖2所示。

1.4? 軟件設(shè)計(jì)

軟件代碼基于C語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，參考時(shí)鐘選用C8051F020內(nèi)部25 MHz晶振。主程序流程如圖3所示：上電后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，具體包括對(duì)AD9854，ADC、按鍵、液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）顯示等進(jìn)行的初始化工作;考慮到存在系統(tǒng)誤差，在初始化工作完成后、數(shù)據(jù)采樣處理前，進(jìn)行相位自動(dòng)校準(zhǔn)（將被測(cè)網(wǎng)絡(luò)短接，進(jìn)行一次掃頻，存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)便于后續(xù)處理）;通過(guò)鍵盤(pán)掃描模塊檢測(cè)是否有按鍵按下，根據(jù)按鍵的不同分情況進(jìn)行處理;通過(guò)AD采樣、根據(jù)零中頻采樣原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終將特性曲線在LCD屏上顯示。

2? ? 系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易頻率特性測(cè)試儀原型進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容主要有正交信號(hào)源輸出信號(hào)的平坦度及頻率穩(wěn)定度、接入被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后輸出的幅頻、相頻特性曲線、能否進(jìn)行點(diǎn)頻測(cè)量輸出幅度和相位信息。測(cè)試使用到的儀器有：程控電源、萬(wàn)用表、數(shù)字示波器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、多功能計(jì)數(shù)器等。

根據(jù)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得：信號(hào)源同相信號(hào)幅度平坦度為2.373%，正交信號(hào)幅度平坦度為3.267%，信號(hào)頻率穩(wěn)定度均小于10-4，可進(jìn)行點(diǎn)頻測(cè)量，顯示的幅頻特性、相頻特性曲線清晰，各項(xiàng)指標(biāo)均在誤差允許范圍內(nèi)。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

本文基于零中頻正交解調(diào)原理進(jìn)行了簡(jiǎn)易頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在1～40 MHz頻率范圍的掃頻輸出及點(diǎn)頻測(cè)量，被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻、相頻特性曲線可清晰顯示于液晶屏上。本設(shè)計(jì)的相關(guān)硬件電路模塊和軟件程序可用于高等院校電類課程的實(shí)踐教學(xué)，同時(shí)對(duì)行業(yè)小型簡(jiǎn)易頻率特性測(cè)試儀器的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李裕.基于零中頻正交解調(diào)頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中師范大學(xué)，2015.

[2]李海松，張奇榮，權(quán)海洋.DDS的相位截?cái)嗉跋鄳?yīng)的雜散信號(hào)分析[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2006（2）：141-143.

[3]孫銳，朱軍，丁大為.基于DDS模塊的簡(jiǎn)易數(shù)字頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2016（3）：117-118.

Design and implementation of simple frequency characteristic analyzer

Zhang Yaxi， Ren Chao

（School of Information Engineering， Jiangxi Vocational College of Industry and? Engineering， Pingxiang 337000， China）

Abstract：In this paper， a prototype of a simple frequency characteristic analyzer is designed based on the principle of zero-IF quadrature demodulation. The analyzer is mainly composed of an orthogonal frequency sweep signal generator， a zero-IF demodulation network， an analog to digital converter， some external buttons and a liquid crystal display module. Radio link control series resonant circuit is used as the network under test. Through the test， the design can accurately test arcl display the frequency and phase response curve of the measured network in the range of 1～40 MHz.

Key words：frequency characteristic test; zero-if quadrature demodulation; analog multiplier