一種頻率特性測試儀的設(shè)計

摘要：以單片機89C51和可編程邏輯器件(FPGA)為控制中心，設(shè)計了一個頻率特性測試儀，用于測試某一特定網(wǎng)絡的頻率響應特性。本系統(tǒng)的主要特點是由FPGA驅(qū)動多種串行芯片，在精簡了系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的同時也不影響程序的效率。其中掃頻信號由AD9851的串行方式產(chǎn)生，擴展了頻率范圍及穩(wěn)定性。幅度測量由有效值采樣芯片AD637和10住串行A／D轉(zhuǎn)換器TLV1544配合實現(xiàn)，相位測量采用計數(shù)法實現(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。本系統(tǒng)幅度測量精度達到5％，相位測量精度達到1°。
關(guān)鍵詞：掃頻信號；幅度測量；相位測量；串行芯片

頻率特性的測量采用掃頻的方法實現(xiàn)，用AD9851產(chǎn)生掃頻信號，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。通過二極管負反饋橋式限幅放大電路及有效值采樣電路等實現(xiàn)頻響特性的測量，最后用示波器顯示被測網(wǎng)絡的幅頻特性及相頻特性。
本系統(tǒng)的一個特點是采用了較多串行芯片(AD9851，TLV1544和TLV5638)。為了使電路中的信號干凈，應減少電路連線，采用串行芯片可以有效精簡電路，保證電路的穩(wěn)定性和減少信號噪聲。但由于串行芯片犧牲了程序的時間效率，所以應該合理設(shè)計程序結(jié)構(gòu)。

1 系統(tǒng)方案論證與選擇
1．1 幅度測量電路的設(shè)計與論證
方案1：峰值檢波電路。基本的峰值檢波電路是由二極管電路和電壓跟隨器組成，通過電容的充放電實現(xiàn)。此電路測量低頻信號時檢波的紋波較大，適合于測量中高頻率段的信號。
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在測量峰值系數(shù)高達10的信號時附加誤差僅為1％，且外圍元件少、頻帶寬。
綜上，選擇方案1。
1．2 相位測量電路的設(shè)計與論證
方案1：波形分析法。采用兩片高速A／D轉(zhuǎn)換芯片同時對輸入的兩路信號進行等時間間隔采樣并將采樣結(jié)果分別存儲，然后對所測信號的波形數(shù)據(jù)進行分析。掃描存儲在RAM中的波形數(shù)據(jù)，計算兩片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間間隔，則信號的相位差為：φx=(Tx／T)x360°其中，Tx為兩路信號相臨極值的時間間隔，T為信號周期。
方案2：計數(shù)法。將兩路被測信號經(jīng)過異或門后，產(chǎn)生一個鑒相脈沖信號，送入FPGA進行記數(shù)，計數(shù)值為N。若信號頻率為，f，計數(shù)頻率為fclk，則相位差為：φx(Nf／fclk)x360°，可判斷被測信號是比標準信號相位超前還是滯后。由于相差在0°～180°之間和360°～180°之間是對稱的，異或后的計數(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)器實現(xiàn)，將兩路信號接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需要用軟件對大量的波形數(shù)據(jù)進行處理才能達到較高的精度，且采集時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的測量過程可以全部由FPGA實現(xiàn)，AD9851產(chǎn)生的信號頻率f已知，無需測頻，所以這種方法非常容易實現(xiàn)，而且采用FPGA的40 M高頻晶振計數(shù)，測量精度和測量范圍都得到提高。因此采用方案2。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案及實現(xiàn)框圖
本系統(tǒng)以單片機及FPGA為核心，由掃頻信號源模塊、峰值檢測模塊、限幅放大模塊和相位測量模塊構(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實現(xiàn)，單片機僅提供系統(tǒng)各模塊的觸發(fā)信號。系統(tǒng)工作時，AD9851產(chǎn)生一定頻率的正弦信號，經(jīng)過被測網(wǎng)絡后，其幅值、相位會有所改變。將被測網(wǎng)絡的輸出端經(jīng)過AD637有效值檢測電路即得出信號的真有效值，A／D采樣后送于單片機。同時，分別
將被測網(wǎng)絡前后的信號經(jīng)過限幅放大模塊整形為峰峰值為+5 V的方波，送入FPGA進行相位測量。再改變信號發(fā)生器的頻率，測量對應頻率點的相位差與幅度值，直到完成整個頻率段的測試，最后將被測網(wǎng)絡的幅頻特性和相頻特性曲線用示波器顯示出來。

3 主要功能電路設(shè)計
3．1 掃頻信號發(fā)生器
AD9851是AD公司采用先進CMOS技術(shù)生產(chǎn)的具有高集成度的直接數(shù)字合成器，可以直接作為信號源，也可通過其內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出，作為靈敏的時鐘產(chǎn)生器。它將相位累加器，波形存儲器，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自外部的頻率、相位控制字，相位累加器接收來自控制字寄存器的數(shù)據(jù)后，決定最終輸出的信號頻率和相位，再經(jīng)過內(nèi)部D／A轉(zhuǎn)換器，所得到的就是最終的數(shù)字合成信號。