數(shù)字控制幅頻特性測(cè)試儀的技術(shù)研究

摘要：文章以ARM微處理器為核心，采用直接頻率合成技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種低頻高精度的幅頻特性測(cè)試儀。系統(tǒng)以直接數(shù)字頻率合成器AD9851作為掃頻信號(hào)源，用真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性的測(cè)量，經(jīng)ARM采樣與處理，最后得到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)各種測(cè)試功能，而且測(cè)試頻率能提高到8MHz。因此本系統(tǒng)為現(xiàn)代電子科研實(shí)驗(yàn)室提供了一種高精度和有較高實(shí)用價(jià)值的低頻幅頻特性測(cè)試儀。
關(guān)鍵詞：幅頻特性；直接數(shù)字頻率合成；真有效值；模／數(shù)轉(zhuǎn)換

0 引言
電子測(cè)量中，我們經(jīng)常會(huì)遇到對(duì)網(wǎng)絡(luò)的阻抗和傳輸特性的測(cè)量。幅頻特性就是重要的傳輸特性之一，它也是各種電路系統(tǒng)及電子儀器的重要性能指標(biāo)，是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能最直觀的反映。幅頻特性測(cè)試儀被廣泛應(yīng)用于電子工程等領(lǐng)域，尤其是模擬和高頻、射頻電子線路中。
傳統(tǒng)的幅頻特性測(cè)試儀大多是用LC電路構(gòu)成的掃頻振蕩器，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、價(jià)格昂貴、功能單一、操作不便、性價(jià)比較低。其方法是在一系列規(guī)定的頻率點(diǎn)上，逐點(diǎn)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)增益，從而確定幅頻特性曲線。用這種方法得到的幅頻特性曲線比較精確，但其缺點(diǎn)是操作繁瑣、工作量大、容易漏測(cè)某些細(xì)節(jié)，不能反映出被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性。而現(xiàn)有的幅頻特性測(cè)試儀也不能很好地滿足用戶的需求，要么存在設(shè)備體積大、易有故障、并且操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，難以滿足尤其是現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試的要求，要么就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、維護(hù)困難。因此，對(duì)于數(shù)字化、智能化、高性能幅頻特性測(cè)試儀的需求量日益增大，基于此原因本文設(shè)計(jì)了基于ARM的數(shù)字幅頻特性測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)
傳統(tǒng)的數(shù)字幅頻特性測(cè)量?jī)x是通過測(cè)量頻率得到正弦信號(hào)的峰峰值，然后通過計(jì)算得到幅度。這樣為了保證A／D采樣的精度，一般在進(jìn)入A／D采樣之前，需要對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)理，確保被測(cè)峰峰值在A／D采樣的電壓范圍內(nèi)。另外，進(jìn)入A／D進(jìn)行采樣的信號(hào)必須滿足抽樣定理，即fs≥2fi，所以在進(jìn)入A／D采樣之前必須用低通濾波器對(duì)其濾波，以防止頻譜混疊而影響測(cè)量結(jié)果。此方案具有抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)靈活、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但調(diào)試?yán)щy，A／D采樣困難且計(jì)算量大，增加了軟件難度。由于預(yù)先不知道被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的頻響特性，故掃頻信號(hào)通過被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后可能發(fā)生很多種未知的變化，本文采用集成真有效值變換芯片，直接輸出被測(cè)信號(hào)的真有效值。這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意波形的有效值測(cè)量。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編寫
2．1 供電電路設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)性能的要求，需要設(shè)計(jì)±5V和+3．3V的直流穩(wěn)壓電源，而且要求電源的紋波應(yīng)盡量的小，以減少對(duì)輸出信號(hào)的干擾。電源采用橋式全波整流、大電容濾波和三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓的方法產(chǎn)生±5V和+3．3V直流電壓，固定輸出的三端穩(wěn)壓芯片為L(zhǎng)M7805和LM7905。穩(wěn)壓管的輸出通過電容和電感濾波；數(shù)字部分與模擬部分用電感隔離，這樣就可以得到紋波系數(shù)很小的直流電壓，其中±5V供電具體電路如圖2所示。

2．2 掃頻信號(hào)電路設(shè)計(jì)
掃頻信號(hào)源在頻率特性測(cè)試儀中有著重要的地位，它的各項(xiàng)性能指標(biāo)直接關(guān)系到整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)所能達(dá)到的性能要求。其掃頻信號(hào)的中心頻率都應(yīng)當(dāng)是被測(cè)網(wǎng)絡(luò)通頻帶的中心頻率，掃頻寬度應(yīng)稍大于被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的帶寬。為此要求掃頻信號(hào)源的中心頻率及掃頻寬度均可獨(dú)立調(diào)節(jié)。而具有高集成度的DDS芯片AD9851內(nèi)部包含高速、高性能D／A轉(zhuǎn)換器及高速比較器，可作為全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。外接精密時(shí)鐘源時(shí)，AD9851可以產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈、頻率和相位都可以編程控制且穩(wěn)定性很好的模擬正弦波，這個(gè)正弦波能夠直接作為基準(zhǔn)信號(hào)源。AD9851可直接與STM32接口，通過程序來進(jìn)行控制。實(shí)際電路中，AD9851采用高速并行接口工作方式，STM32利用并行方式對(duì)AD9851進(jìn)行控制，其頻率和相位控制字直接寫入數(shù)據(jù)輸入寄存器中。AD9851芯片采用±5V供電，外部時(shí)鐘采用30MHz晶體，內(nèi)部寄存器控制6倍頻，信號(hào)輸出為恒流源。RSET引腳用來配置其內(nèi)部D／A轉(zhuǎn)換器的滿度輸出電流值。從AD9851的數(shù)據(jù)手冊(cè)中可知，DAC滿幅輸出電流為Iout=39．93／ Rset。