基于FPGA和單片機(jī)的掃頻儀研究與設(shè)計(jì)

一個(gè)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(jì)時(shí)，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性對(duì)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(shí)際操作中，掃頻儀大大簡(jiǎn)化了測(cè)量操作，提高了工作效率，達(dá)到了測(cè)量過(guò)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(yùn)用。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字頻率合成技術(shù)產(chǎn)生掃頻信號(hào)，以單片機(jī)和FPGA為控制核心，通過(guò)A／D和D／A轉(zhuǎn)換器等接口電路，實(shí)現(xiàn)掃頻信號(hào)頻率的步進(jìn)調(diào)整、數(shù)字顯示及被測(cè)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(jì)框圖

1．1 系統(tǒng)總體方案

將輸出頻率步進(jìn)可調(diào)的正弦掃頻信號(hào)源作為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)Vi，可得被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)為V0。通過(guò)測(cè)量各頻率點(diǎn)的幅度就可得到V0和Vi的有效值，兩者之比就是該點(diǎn)的幅度頻率響應(yīng)；對(duì)V0和Vi進(jìn)行過(guò)零比較、整形，再送到FPGA測(cè)量相位差，即可得到相頻特性。

1．2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)通過(guò)鍵盤掃描得到外界設(shè)置的掃頻范圍和頻率步進(jìn)，通過(guò)調(diào)用DDS控模塊控制DAC904，輸出掃頻信號(hào)。由于信號(hào)在被測(cè)網(wǎng)絡(luò)阻帶內(nèi)會(huì)有很大的衰減，故用程控放大處理經(jīng)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的掃頻信號(hào)之后，利用AD637進(jìn)行有效值采樣，LM311進(jìn)行整形。信號(hào)有效值經(jīng)MAXl270進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后得到有效值的數(shù)字量，整形后的信號(hào)經(jīng)測(cè)相模塊處理得到相位差值。在FPGA中寫(xiě)入2個(gè)RAM存放被測(cè)信號(hào)的有效值和相位差值。完成一次掃頻后通過(guò)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(diǎn)的幅度和相位差值在液晶顯示器上進(jìn)行顯示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能部分設(shè)計(jì)

2．1 掃頻信號(hào)的產(chǎn)生

直接數(shù)字合成(DDFS)信號(hào)源。它是一種完全數(shù)字化的方法：先將一個(gè)周期的正弦波(或者其他波形)的離散樣點(diǎn)幅值的數(shù)字量預(yù)先存儲(chǔ)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(hào)波形，再經(jīng)低通濾掉毛刺即可得到所需頻率的輸入信號(hào)。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(lái)相當(dāng)容易，且掃頻步進(jìn)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。設(shè)FPGA內(nèi)部的參考頻率源的頻率為fclk，采用計(jì)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(hào)的頻率fout=fclk／2N×M。頻率分辨率為：△f=fclk／2N。

若選取晶振頻率為40 MHz，頻率控制字為24位，相位累加器的位數(shù)為31位，則輸出頻率范圍為0．02 Hz～312 kHz，步進(jìn)頻率為40 MHz／231≈0．02 Hz。

系統(tǒng)采用高速14-bit電流輸出型D／A轉(zhuǎn)換器DAC904制作DDS掃頻信號(hào)源。通過(guò)FPGA給其20 MHz的時(shí)鐘信號(hào)以輸出10 Hz～100 kHz的掃頻信號(hào)。該器件制作成的PCB板中，很好地考慮了接地，使得輸出信號(hào)在頻率為1 MHz可以達(dá)到無(wú)明顯失真。DAC904采用內(nèi)部基準(zhǔn)和雙極性接法，輸出信號(hào)幅值范圍為0～5 V。其原理圖如圖2所示。

2．2 幅頻特性測(cè)試方案

使用集成真有效值轉(zhuǎn)換器AD637先檢測(cè)出信號(hào)每個(gè)頻率點(diǎn)的有效值，再經(jīng)過(guò)A／D采樣將得到的數(shù)據(jù)讀到單片機(jī)中進(jìn)行處理即可。該器件外接電路簡(jiǎn)單，工作頻帶很寬，與A／D轉(zhuǎn)換器級(jí)聯(lián)，可以對(duì)任何復(fù)雜波形的有效值、平均值、均方值、絕對(duì)值進(jìn)行采樣，測(cè)量誤差小于±(0.2％讀數(shù)+0．5 mV)，可以達(dá)到很高的測(cè)量精度。

2．3 相頻特性測(cè)試方案

采用計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)相位的測(cè)量。計(jì)數(shù)法的思想是將相位量轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖量，然后對(duì)數(shù)字脈沖進(jìn)行測(cè)量而得到相位差。對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字脈沖量進(jìn)行異或運(yùn)算，產(chǎn)生脈寬為T0、周期為T的另一路方波，若高頻計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖周期為TCP，則在一個(gè)周期T的時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)數(shù)值為：

式中，φx為相位差的度數(shù)。

這種方法應(yīng)用比較廣泛，精度較高，電路形式簡(jiǎn)單，適合FPGA實(shí)現(xiàn)。

實(shí)際測(cè)量中，當(dāng)兩輸入信號(hào)頻率較高且相位差很小時(shí)，得到的脈沖很窄，這會(huì)造成較大誤差。為了克服上述缺陷，引入等精度測(cè)量的思想(如圖3)，采用多周期同步計(jì)數(shù)法，利用觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)寬度為被測(cè)信號(hào)fa整數(shù)倍的閘門信號(hào)。利用計(jì)數(shù)器1測(cè)量出閘門信號(hào)內(nèi)通過(guò)高頻脈沖fm的個(gè)數(shù)N1，利用計(jì)數(shù)器2測(cè)量出相同時(shí)間內(nèi)閘門信號(hào)、異或信號(hào)、高頻脈沖三者相與后的脈沖數(shù)N2。因此，相位差值為△φ=N2／N1x36 0°。測(cè)量相位的同時(shí)，在FPGA內(nèi)部引入一D觸發(fā)器，用一路方波信號(hào)控制另一路方波，通過(guò)觸發(fā)器輸出的高低以判斷信號(hào)相位差范圍是大于180°還是小于180°。

2．4 系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì)

為了在示波器上顯示曲線，需要通過(guò)2個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器向X、Y軸同步送入掃描信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)。X軸方向的DA轉(zhuǎn)換器輸出掃描信號(hào)為O～5 V的鋸齒波信號(hào)，而數(shù)據(jù)信號(hào)為-5～5 V，反應(yīng)了各個(gè)頻率點(diǎn)上的信號(hào)幅值和相位，由另一片D／A轉(zhuǎn)換器向Y軸方向輸出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由單片機(jī)和FPGA組成。整個(gè)系統(tǒng)以用戶按鍵中斷為主線，調(diào)用不同的處理函數(shù)，與FPGA中各個(gè)控制模塊之間，以總線的進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)測(cè)量頻率特性的功能。軟件流程圖見(jiàn)圖4。

4 結(jié)束語(yǔ)

本掃頻儀利用數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)產(chǎn)生掃頻信號(hào)，通過(guò)14位D／A轉(zhuǎn)換器DAC904產(chǎn)生了10 Hz～100 kHz的正弦掃頻信號(hào)，作用于被測(cè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)通過(guò)有效值采樣電路，以及由比較器LM311配合FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的測(cè)相電路，完成了對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)頻率特性的測(cè)量。

為對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試，制作了一個(gè)中心頻率為5 kHz。帶寬為±50 Hz的阻容雙T網(wǎng)絡(luò)。測(cè)試結(jié)果表明，在網(wǎng)絡(luò)的通帶和阻帶內(nèi)，相頻特性測(cè)量均達(dá)到了3°以內(nèi)的測(cè)量精度，幅頻特性的測(cè)量誤差均小于50％。此外，該系統(tǒng)可以通過(guò)鍵盤輸入掃頻范圍，通過(guò)示波器顯示幅頻、相頻曲線，并可以在液晶顯示器上顯示該網(wǎng)絡(luò)在特定頻率點(diǎn)上的幅度、相位特性值。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，成本低廉，測(cè)量精確，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。