基于單片機和FPGA的掃頻儀設(shè)計

一個網(wǎng)絡(luò)的頻率特性包括幅頻特性和相頻特性，在系統(tǒng)設(shè)計時，各個網(wǎng)絡(luò)的頻率特性對該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、工作頻帶、傳輸特性等都具有重要影響。實際操作中，掃頻儀大大簡化了測量操作，提高了工作效率，達到了測量過程快速、直觀、準(zhǔn)確、方便的目的，在生產(chǎn)、科研、教學(xué)上得到廣泛運用。本設(shè)計采用數(shù)字頻率合成技術(shù)產(chǎn)生掃頻信號，以單片機和FPGA為控制核心，通過A／D和D／A轉(zhuǎn)換器等接口電路，實現(xiàn)掃頻信號頻率的步進調(diào)整、數(shù)字顯示及被測網(wǎng)絡(luò)幅頻特性與相頻特性參數(shù)的顯示。

1 系統(tǒng)總體方案及設(shè)計框圖
1．1 系統(tǒng)總體方案
將輸出頻率步進可調(diào)的正弦掃頻信號源作為被測網(wǎng)絡(luò)的激勵Vi，可得被測網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)為V0。通過測量各頻率點的幅度就可得到V0和Vi的有效值，兩者之比就是該點的幅度頻率響應(yīng)；對V0和Vi進行過零比較、整形，再送到FPGA測量相位差，即可得到相頻特性。
設(shè)激勵信號Vi=x(n)=Acos(ω0n+f)，穩(wěn)態(tài)輸出信號V0=y(n)。利用三角恒等式，可將輸入表示為兩個復(fù)指數(shù)函數(shù)之和：，式中，。對于輸入為，線性時不變系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出為。根據(jù)線性性質(zhì)可知，輸入g(n)的響應(yīng)v(n)為：。同理，輸入g*(n)的輸出v*(n)是v(n)的復(fù)共軛。于是得到輸出y(n)的表達式：

因此。輸出信號和輸入信號是頻率相同的正弦波，僅有2點不同：1)振幅被加權(quán)，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在ω=ω0的幅度函數(shù)值；2)輸出信號的相位相當(dāng)于輸入有一個q(ω0)時延，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在ω=ω0的相位值。該方案幅度和相位測量的控制都通過FPGA實現(xiàn)，能夠使測量結(jié)果精確。
1．2 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖
系統(tǒng)通過鍵盤掃描得到外界設(shè)置的掃頻范圍和頻率步進，通過調(diào)用DDS控模塊控制DAC904，輸出掃頻信號。由于信號在被測網(wǎng)絡(luò)阻帶內(nèi)會有很大的衰減，故用程控放大處理經(jīng)被測網(wǎng)絡(luò)的掃頻信號之后，利用AD637進行有效值采樣，LM311進行整形。信號有效值經(jīng)MAXl270進行AD轉(zhuǎn)換后得到有效值的數(shù)字量，整形后的信號經(jīng)測相模塊處理得到相位差值。在FPGA中寫入2個RAM存放被測信號的有效值和相位差值。完成一次掃頻后通過波形顯示模塊將幅頻、相頻曲線顯示在示波器上，并將特定頻率點的幅度和相位差值在液晶顯示器上進行顯示。系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能部分設(shè)計
2．1 掃頻信號的產(chǎn)生
直接數(shù)字合成(DDFS)信號源。它是一種完全數(shù)字化的方法：先將一個周期的正弦波(或者其他波形)的離散樣點幅值的數(shù)字量預(yù)先存儲于ROM或者RAM中，按一定的地址增量間隔讀出，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后成為不同頻率的模擬正弦波信號波形，再經(jīng)低通濾掉毛刺即可得到所需頻率的輸入信號。按此原理，DDS可以合成任意波形，且可以精確控制相位，頻率也非常穩(wěn)定。利用FPGA制作起來相當(dāng)容易，且掃頻步進實現(xiàn)簡單。設(shè)FPGA內(nèi)部的參考頻率源的頻率為fclk，采用計數(shù)容量為2N的相位累加器(N為相位累加器的位數(shù))，頻率控制字為M，則DDS系統(tǒng)輸出信號的頻率fout=fclk／2N×M。頻率分辨率為：△f=fclk／2N。