張強，崔永俊

（中北大學儀器與電子學院儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051）

頻率特性測試儀是用來對待測網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性進行測量的儀器。傳統(tǒng)的掃頻儀是利用手動改變頻率的方式逐點進行測量，這種設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為繁瑣，體積較大，易被干擾，性價比低，測量到的結(jié)果也有不小的誤差，操作起來比較麻煩，很難達到普及[1-2]。近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，掃頻儀也在不斷地朝著數(shù)字化、小型化、低功耗、低成本的方向發(fā)展。而且，直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)[3]、LCD 顯示等技術(shù)的更加成熟，進一步推動了掃頻儀的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，該設(shè)計選用DDS 芯片AD9852 作為激勵源，產(chǎn)生1～90 MHz 的正弦信號，采用AD8302 進行幅相檢測，采用FPGA 芯片實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)處理，將最終測量結(jié)果通過LCD 顯示出來。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

頻率特性測試儀系統(tǒng)由信號源電路、被測網(wǎng)絡(luò)、幅度相位檢測電路、FPGA 控制及數(shù)據(jù)處理部分、顯示電路組成?？傮w方案如圖1 所示。

圖1 總體方案框圖

頻率特性有兩種測量方法，一種是沖擊響應(yīng)測試法，另一種是掃頻測試法[4]。其中，沖擊響應(yīng)測試法無需設(shè)計掃頻信號源，后續(xù)也不需要設(shè)計幅度相位檢測，可以縮小電路的設(shè)計量，但是對于高頻信號而言，這種方法需要很高的采樣速率與很多的采樣點，會造成很大的計算量，且信噪比低，導致最終測量結(jié)果的準確度和精度都不高，只能用在對低頻信號的測量中。掃頻測試法適用于頻率范圍比較寬的場合，要求有一個掃頻的信號源與相應(yīng)的頻率相位檢測電路，計算量較小，信號的信噪比高，測量精度高，故文中采用掃頻測試法。

信號源模塊的設(shè)計包括信號發(fā)生電路和信號調(diào)理電路。信號發(fā)生電路采用DDS 芯片AD9852 實現(xiàn)，產(chǎn)生信號的輸出頻率、步進、幅值、相位都可以通過寄存器來調(diào)整。信號調(diào)理電路是對信號源產(chǎn)生的信號進行噪聲抑制和調(diào)控信號的輸出功率。

幅度相位檢測電路用于檢測被測網(wǎng)絡(luò)的幅度差與相位差，完成A/D 轉(zhuǎn)換后，送給FPGA 處理。

FPGA 控制及數(shù)據(jù)處理單元用于對整個系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)的處理與交互。一方面，對掃頻信號源進行控制，另一方面，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)處理之后再通過顯示電路顯示結(jié)果。

顯示電路是顯示測試的結(jié)果與設(shè)置值，結(jié)果包含幅值、相位、功率等信息。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計

2.1 信號源電路

信號源的設(shè)計采用專門的DDS 器件AD9852，其內(nèi)部自帶倍頻，在提供一個低頻時鐘后就可以達到300 MHz 的工作頻率，輸出的不失真頻率為最高時鐘頻率的40%；帶有兩個48 位的頻率寄存器，能夠?qū)崿F(xiàn)很高的頻率分辨率；帶有兩個14 位的相位寄存器，使相位分辨率高達14 位；具有較高的輸出雜散性能，輸出的頻率中，有用頻率之外的頻率基本都會被抑制處理掉，具有優(yōu)良的動態(tài)性能[5]。自帶的D/A 轉(zhuǎn)換器能直接輸出模擬信號，再通過比較器，就可以輸出頻譜干凈，頻率、步進及相位均可控的模擬信號。

DDS 利用采樣定理，通過查找表法來產(chǎn)生特定頻率的波形[6-7]。其原理如圖2 所示。

圖2 DDS工作原理圖

DDS 輸出信號頻率f0與頻率控制字K和參考時鐘頻率focs成正比例的關(guān)系，其DDS 輸出信號頻率f0可表示為：

其中，N為頻率寄存器位數(shù)。

令K為1，可以得到其分辨率Δf：

2.2 低通濾波器設(shè)計

為了濾除信號源產(chǎn)生信號中的諧波分量，還需要再連接一個濾波器。對比如下幾種濾波器的平方幅頻響應(yīng)特性，對于相同階數(shù)的低通濾波器而言，巴特沃斯濾波器的過渡帶較長，坡度較緩，下降地較慢；切比雪夫兩個類型的濾波器分別在通頻帶與衰減帶存在著紋波；貝塞爾濾波器幅頻響應(yīng)最差，但相位卻極好；橢圓濾波器由相互對稱的紋波存在于通頻帶和衰減帶，但其過渡帶最窄，下降速度最快[8-9]。綜合考慮，選擇無源橢圓低通濾波器來實現(xiàn)。

在系統(tǒng)濾波器設(shè)計中，要輸出90 MHz 的信號，橢圓濾波器的階數(shù)為7 階，截止頻率設(shè)為110 MHz，其特性曲線如圖3 所示。為了達到最佳效果，需要調(diào)整濾波器的參數(shù)，通過不斷地測試，最終確定了如圖4 所示的參數(shù)，其頻譜特性最佳。

圖3 橢圓低通濾波器特性曲線

圖4 橢圓低通濾波器設(shè)計

2.3 增益相位檢測電路

為了提高系統(tǒng)測量幅值相位的精度及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用AD8302 來做檢測。AD8302 是專門用來檢測幅值和相位的集成器件，使復雜的檢測電路設(shè)計大大簡化，而且更加便于控制[10-12]。使用AD8302 檢測還需要將信號的功率調(diào)整到-60 dBm 到0 dBm 之間，同時，為了保護器件，需要對信號功率進行調(diào)整。系統(tǒng)采用操控簡單的增益放大器AD603對激勵源輸出信號的功率進行調(diào)整，調(diào)整到AD8302能檢測的范圍內(nèi)[13-14]，功率放大電路如圖5 所示。AD8302 的輸出量為模擬量的增益和相位，需要先將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量再送入FPGA 處理，采用在輸出端接一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器用來將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，選用多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器—AD7865 來實現(xiàn)，它具有性能高、速度快、功耗低的特點，帶有4 個14 位可以同步進行轉(zhuǎn)換的ADC 通道，單個通道的轉(zhuǎn)換時間為2.4 μs。

圖5 增益放大電路

圖6 相增益位檢測電路

AD8302 檢測器件是將輸入信號的幅值之比變成電壓比輸出，輸出范圍在0 到1.8 V 之間，相位差也是電壓之比，輸出的0 到1.8 對應(yīng)相位差大小為0°到180°。此外，AD8302 只能檢測相位在0 到180 度之間，并不能夠顯示出是超前了還是滯后了，所以，需要再添加一個極性判斷電路來進行判別。判別電路主要由史密斯觸發(fā)器和D 觸發(fā)器組成，先將輸出的正弦波整形為方波，再經(jīng)過D 觸發(fā)器，最后連接到FPGA 控制芯片上。相位極性判斷電路如圖7所示。

2.4 控制及處理模塊

圖7 相位極性判斷

頻率特性測試儀的控制及數(shù)據(jù)處理模塊采用Xilinx 公司生產(chǎn)的Spartan3 系列的FPGA，型號為XC3S50，其具有豐富的可編程邏輯資源，可以用來擴展的I/O 口較多，有眾多的數(shù)字信號處理資源專用的18×18 乘法器，有豐富的分布式RAM 和BRAM 便于數(shù)據(jù)的緩沖與讀取。掃頻儀主要用于進行時序控制，DDS、ADC、LCD 顯示模塊都與其相連接，實現(xiàn)掃頻儀各部分的功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計流程

該系統(tǒng)以FPGA 為主控芯片，控制著AD9852 產(chǎn)生掃頻信號，控制整個系統(tǒng)各部分的邏輯功能，同時，將數(shù)據(jù)進行處理再經(jīng)LCD 顯示[15]。開始工作后，首先會進行初始化，然后等待執(zhí)行按鍵功能，檢測到圖8 所示的按鍵時，會執(zhí)行對應(yīng)的功能，輸出相應(yīng)的信號、顯示相應(yīng)的測量結(jié)果。設(shè)計流程如圖8所示。

圖8 軟件設(shè)計流程圖

3.2 信號源邏輯設(shè)計

在ISE 軟件中，使用VHDL 編寫掃頻程序，其中，波形的變化是通過設(shè)置信號的頻率步進寄存器DFW 的值和邊沿速率計數(shù)器的值來改變的。將上限頻率和下限頻率分別寫入FTW1 和FTW2 中。在更新時鐘到來時，電平高低跳轉(zhuǎn)，代表頻率f1和f2之間切換，完成掃頻信號輸出。DDS 控制時間步進的邊沿速率計數(shù)器計滿時，輸出脈沖信號，頻率累加器收到脈沖信號后，與Delta 頻率寄存器累加一次，累加值通過加法器與頻率控制字相加，相加結(jié)果輸入到相位累加器，最后形成DDS 正弦波查找表地址。圖9 為激勵掃頻流程圖。

圖9 激勵信號源掃頻流程圖

4 測量結(jié)果

為了驗證掃頻儀的功能與準確度，設(shè)計了一個中心頻率為50 MHz 的雙T 帶阻網(wǎng)絡(luò)，將帶阻網(wǎng)絡(luò)元器件的參數(shù)代入如下的傳遞函數(shù)：

其中，Q=0.25,ω0=1/RC=3.18×10-9。

在Matlab 中對其進行仿真[16]，對應(yīng)的仿真結(jié)果如圖10 所示。從圖中可以看出，隨著信號源輸出信號頻率的提高，待測網(wǎng)絡(luò)通過信號的能力快速降低，當頻率達到50 MHz 時，信號通過能力達到了最小值；當過了50 MHz 后，隨著信號源輸出信號頻率的提高，雙T 帶阻網(wǎng)絡(luò)的信號通過能力會有較為緩慢的提升。對應(yīng)的相頻特性為：隨著信號源頻率的提升，相位慢慢落后，當頻率接近50 MHz 時，相位達到-90°，在隨后頻率的提升中，相位會突變至+90°，而后慢慢落回。這個結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，從而證明該頻率特性測試儀的正確性與可靠性。

圖10 MATLAB仿真圖

為了驗證測量結(jié)果的準確性，將掃頻儀測量的結(jié)果與采用點測法測得的結(jié)果進行對比，幅值誤差的絕對值不超過0.03 V，相位誤差的絕對值不超過3°。測量結(jié)果如表1 所示。

5 結(jié)束語

該設(shè)計的信號源用DDS 技術(shù)實現(xiàn)，輸出信號的幅度誤差小于1.5%，相位誤差小于1°，掃頻范圍為1～90 MHz，步進可在該范圍內(nèi)設(shè)置，同時，可以輸出該范圍內(nèi)的任一固定的頻率。采用高性價比的FPGA 作為數(shù)據(jù)處理與控制單元，具有易于開發(fā)與控制等優(yōu)點。設(shè)計的頻率特性測試儀，可以對待測網(wǎng)絡(luò)進行點測或者掃頻測量，同時使用了專門的檢測器件AD8302 測量。該頻率特性測試儀的準確度高，幅值誤差在0.5 dB 以內(nèi)，相位誤差在3°以內(nèi)；且基本實現(xiàn)了全數(shù)字化，系統(tǒng)易于操作，測量結(jié)果準確，穩(wěn)定性強，頻率測量范圍寬，能廣泛應(yīng)用于頻域分析領(lǐng)域。

表1 掃頻儀與點頻測量法測量結(jié)果及對比