一種頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

摘要：以單片機(jī)89C51和可編程邏輯器件(FPGA)為控制中心，設(shè)計(jì)了一個(gè)頻率特性測(cè)試儀，用于測(cè)試某一特定網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性。本系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是由FPGA驅(qū)動(dòng)多種串行芯片，在精簡(jiǎn)了系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的同時(shí)也不影響程序的效率。其中掃頻信號(hào)由AD9851的串行方式產(chǎn)生，擴(kuò)展了頻率范圍及穩(wěn)定性。幅度測(cè)量由有效值采樣芯片AD637和10住串行A／D轉(zhuǎn)換器TLV1544配合實(shí)現(xiàn)，相位測(cè)量采用計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)。頻率特性曲線由12位串行雙D／A轉(zhuǎn)換器TLV5638輸出，并經(jīng)示波器顯示出來(lái)。本系統(tǒng)幅度測(cè)量精度達(dá)到5％，相位測(cè)量精度達(dá)到1°。
關(guān)鍵詞：掃頻信號(hào)；幅度測(cè)量；相位測(cè)量；串行芯片

頻率特性的測(cè)量采用掃頻的方法實(shí)現(xiàn)，用AD9851產(chǎn)生掃頻信號(hào)，可產(chǎn)生頻譜純凈、頻率范圍廣且穩(wěn)定度非常高的正弦波。通過(guò)二極管負(fù)反饋橋式限幅放大電路及有效值采樣電路等實(shí)現(xiàn)頻響特性的測(cè)量，最后用示波器顯示被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性及相頻特性。
本系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)是采用了較多串行芯片(AD9851，TLV1544和TLV5638)。為了使電路中的信號(hào)干凈，應(yīng)減少電路連線，采用串行芯片可以有效精簡(jiǎn)電路，保證電路的穩(wěn)定性和減少信號(hào)噪聲。但由于串行芯片犧牲了程序的時(shí)間效率，所以應(yīng)該合理設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)。

1 系統(tǒng)方案論證與選擇
1．1 幅度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)與論證
方案1：峰值檢波電路?；镜姆逯禉z波電路是由二極管電路和電壓跟隨器組成，通過(guò)電容的充放電實(shí)現(xiàn)。此電路測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)檢波的紋波較大，適合于測(cè)量中高頻率段的信號(hào)。
方案2：真有效值檢波。從真有效值檢波的工作原理可以分為線性有效值檢波器、對(duì)數(shù)有效值檢波器和數(shù)字有效值檢波器。典型的真有效值轉(zhuǎn)換芯片為AD637，使用AD637在測(cè)量峰值系數(shù)高達(dá)10的信號(hào)時(shí)附加誤差僅為1％，且外圍元件少、頻帶寬。
綜上，選擇方案1。
1．2 相位測(cè)量電路的設(shè)計(jì)與論證
方案1：波形分析法。采用兩片高速A／D轉(zhuǎn)換芯片同時(shí)對(duì)輸入的兩路信號(hào)進(jìn)行等時(shí)間間隔采樣并將采樣結(jié)果分別存儲(chǔ)，然后對(duì)所測(cè)信號(hào)的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。掃描存儲(chǔ)在RAM中的波形數(shù)據(jù)，計(jì)算兩片A／D轉(zhuǎn)換器采集兩部分波形數(shù)據(jù)的最大值或最小值的時(shí)間間隔，則信號(hào)的相位差為：φx=(Tx／T)x360°其中，Tx為兩路信號(hào)相臨極值的時(shí)間間隔，T為信號(hào)周期。
方案2：計(jì)數(shù)法。將兩路被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)異或門(mén)后，產(chǎn)生一個(gè)鑒相脈沖信號(hào)，送入FPGA進(jìn)行記數(shù)，計(jì)數(shù)值為N。若信號(hào)頻率為，f，計(jì)數(shù)頻率為fclk，則相位差為：φx(Nf／fclk)x360°，可判斷被測(cè)信號(hào)是比標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相位超前還是滯后。由于相差在0°～180°之間和360°～180°之間是對(duì)稱(chēng)的，異或后的計(jì)數(shù)值是相同的，故需加上一極性判別電路。相位的極性判決電路可由D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，將兩路信號(hào)接D觸發(fā)器的D端和CP端，從0端輸出的高低電平可判別相差的極性。
方案1需要用軟件對(duì)大量的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能達(dá)到較高的精度，且采集時(shí)間間隔難以精確控制，主要適用于精度要求不是很高的情況。方案2的測(cè)量過(guò)程可以全部由FPGA實(shí)現(xiàn)，AD9851產(chǎn)生的信號(hào)頻率f已知，無(wú)需測(cè)頻，所以這種方法非常容易實(shí)現(xiàn)，而且采用FPGA的40 M高頻晶振計(jì)數(shù)，測(cè)量精度和測(cè)量范圍都得到提高。因此采用方案2。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)框圖
本系統(tǒng)以單片機(jī)及FPGA為核心，由掃頻信號(hào)源模塊、峰值檢測(cè)模塊、限幅放大模塊和相位測(cè)量模塊構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。為了提高效率，芯片控制主要由FPGA實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)僅提供系統(tǒng)各模塊的觸發(fā)信號(hào)。系統(tǒng)工作時(shí)，AD9851產(chǎn)生一定頻率的正弦信號(hào)，經(jīng)過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后，其幅值、相位會(huì)有所改變。將被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出端經(jīng)過(guò)AD637有效值檢測(cè)電路即得出信號(hào)的真有效值，A／D采樣后送于單片機(jī)。同時(shí)，分別
將被測(cè)網(wǎng)絡(luò)前后的信號(hào)經(jīng)過(guò)限幅放大模塊整形為峰峰值為+5 V的方波，送入FPGA進(jìn)行相位測(cè)量。再改變信號(hào)發(fā)生器的頻率，測(cè)量對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)的相位差與幅度值，直到完成整個(gè)頻率段的測(cè)試，最后將被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性曲線用示波器顯示出來(lái)。

3 主要功能電路設(shè)計(jì)
3．1 掃頻信號(hào)發(fā)生器
AD9851是AD公司采用先進(jìn)CMOS技術(shù)生產(chǎn)的具有高集成度的直接數(shù)字合成器，可以直接作為信號(hào)源，也可通過(guò)其內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出，作為靈敏的時(shí)鐘產(chǎn)生器。它將相位累加器，波形存儲(chǔ)器，10 Bit高速D／A集于一塊芯片中，頻帶寬，頻率精度和穩(wěn)定度高，外圍電路簡(jiǎn)單。
其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。AD9851內(nèi)部的控制字寄存器首先寄存來(lái)自外部的頻率、相位控制字，相位累加器接收來(lái)自控制字寄存器的數(shù)據(jù)后，決定最終輸出的信號(hào)頻率和相位，再經(jīng)過(guò)內(nèi)部D／A轉(zhuǎn)換器，所得到的就是最終的數(shù)字合成信號(hào)。