摘要 基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的思想，采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理和顯示技術(shù)，設(shè)計了一臺低成本、數(shù)字化、智能化的頻率特性測試儀。實現(xiàn)了對20Hz～150MHz范圍內(nèi)任意頻段的被測網(wǎng)絡(luò)幅頻特性和相頻特性測量。完成了數(shù)據(jù)存儲、-3曲帶寬計算、峰值查找等功能，幅度檢測精度達(dá)到1dBm，相位檢測精度1°等指標(biāo)。
傳統(tǒng)掃頻儀的信號源大多采用LC電路構(gòu)成的振蕩器，大量使用分立元器件來實現(xiàn)各功能，顯示部分采用傳統(tǒng)的掃描顯示器。因此傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的掃頻儀不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、價格昂貴、操作復(fù)雜，而且由于各元件分散性大，參數(shù)變化容易受外部環(huán)境變化影響，精度不高。目前，以Agilent等為代表的儀器生產(chǎn)廠家提供了多種高性能的頻率特性測試儀。但其產(chǎn)品主要集中在射頻、微波等高頻領(lǐng)域，中低頻段的產(chǎn)品相對缺乏。本文基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)的技術(shù)思想，采用DSP和FPGA架構(gòu)的現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)，設(shè)計了一臺低成本，高度數(shù)字化和智能化的頻率特性測試儀，實現(xiàn)了對20Hz～150MHz范圍內(nèi)任意頻段的被測網(wǎng)絡(luò)幅頻特性和相頻特性測量和顯示，完成了數(shù)據(jù)存儲回放和傳輸，-3dB帶寬計算，峰值查找等功能。幅度檢測精度達(dá)到1dBm，相位檢測精度1°的指標(biāo)。
1 系統(tǒng)組成
頻率特性分析儀主要包括控制和數(shù)據(jù)存儲處理單元、DDS信號源單元、幅度和相位檢測單元、數(shù)據(jù)采集單元、顯示及交互接口單元，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)設(shè)計
2.1 控制與數(shù)據(jù)處理單元
ADSP—BF532和FPGA(EP1C3)是控制與數(shù)據(jù)存儲處理單元的核心。DSP通過PPI、SPI和PF接口與FPGA進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)鍵盤讀取，DDS掃描，A/D采集，LCD掃描等功能，通過UART單元與計算機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制。FPGA完成了TFT_LCD和VGA同步顯示時序轉(zhuǎn)換、鍵盤掃描、SPI通信和信號分配等功能。另外，DSP通過EBIU單元連接AM29LV800和MT48L32M16分別作為程序與工作狀態(tài)存儲器和數(shù)據(jù)存儲與顯示緩存。工作原理如圖2所示。
2.2 數(shù)據(jù)采集單元
數(shù)據(jù)采集單元采用多路A/D轉(zhuǎn)換器將幅度和相位的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供DSP和FPGA進(jìn)行處理和傳輸，是模擬電路和數(shù)字電路之間的“橋梁”。本儀器中選用AD7655采集信號。該A/D轉(zhuǎn)換器具有4個模擬輸入通道，16位采樣精度，最高采樣率為1MHz。采用16位并行和SPI等傳輸模式。REF3125提供A/D轉(zhuǎn)換器所需的2.5V參考電壓。
2.3 DDS信號源單元
DDS技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號通過DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式信號的合成技術(shù)。DDS技術(shù)建立在采樣定理的基礎(chǔ)上，它首先對需要產(chǎn)生的波形進(jìn)行采樣，將采樣值數(shù)字化后存入存儲器做為查找表，然后再通過查找表將數(shù)據(jù)讀出，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量，把存入的波形重新合成出來。雖然DDS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有很多種，但其基本的電路原理，如圖3所示。
本儀器選用的DDS芯片AD9958是一款高性能雙通道直接數(shù)字頻率合成器，具有兩個獨(dú)立的DDS核，分別具有兩個獨(dú)立的32位頻率控制字和14位相位控制字，一個10位的幅度控制字。內(nèi)部集成PLL，芯片最高工作頻率500MHz，輸出信號最高頻率可達(dá)180MHz。DSP通過SPI和PF接口經(jīng)FPGA信號分配邏輯對AD9958進(jìn)行頻率、相位和幅度控制字的配置，如圖4所示。
AD9958采用25MHz外部時鐘輸入，經(jīng)內(nèi)部PLL倍頻后產(chǎn)生500MHz內(nèi)核工作時鐘。輸出信號為兩路同頻的正弦和余弦信號。為避免數(shù)字噪聲對信號產(chǎn)生干擾，芯片的3.3V數(shù)字供電與模擬供電部分需采用型網(wǎng)絡(luò)隔離，并對模擬地接小電阻到地平面以隔離干擾。由于芯片輸出為電流信號，需采用51Ω上拉到1.8V轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)LFCN—160集成濾波器濾除高頻噪聲，并采用差分運(yùn)放AD8312抵消共模噪聲。輸出信號電平范圍為-10～-3 dBm。AD9958信號輸出原理如圖5所示。
2.4 輸出電平調(diào)節(jié)單元
本儀器設(shè)計的信號源輸出電平范圍為-87～13 dBm。而前級DDS信號源單元的輸出信號電平范圍為-10～-3 dBm，因此需要對前級信號進(jìn)行電平調(diào)節(jié)。該單元的信號流圖如圖6所示。
本單元首先通過寬帶運(yùn)放THS3201將前級信號電平放大到12～19 dBm。然后通過可控衰減網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)輸出-87～13 dBm范圍內(nèi)的信號。通過控制接通不同的型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，如圖5所示。可控衰減網(wǎng)絡(luò)由-8dB、-16dB、-32dB和-64dB這4種型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)組成，通過68595驅(qū)動繼電器TQ2組合出不同衰減倍數(shù)的衰減網(wǎng)絡(luò)。
2.5 相位檢測單元
本儀器選用AD8302構(gòu)建了相位差檢測電路。AD8302可對0～2.7 GHz，-60～0 dBm范圍內(nèi)的兩輸入信號之間的幅度比和相位差進(jìn)行精確測量，其中相位檢測精度可達(dá)1°。AD8302相位檢測曲線如圖7所示。
由圖7可知，使用單片的AD8032無法進(jìn)行-180°～180°范圍內(nèi)的監(jiān)相。為實現(xiàn)-180°～180°監(jiān)相，儀器采用I、Q正交檢測方法。即DDS信號源輸出兩路同頻正交信號，該正交信號分別通過兩片8302與待測信號分別進(jìn)入兩片AD8302監(jiān)相，則可得到兩條相位差為90°相位曲線，如圖8所示。由此實現(xiàn)-180°～180°范圍檢測。
2.6 幅度檢測單元
本儀器幅度檢測電路由對數(shù)放大器AD8310和濾波電容單元組成。AD8310可檢測0～440 MHz，-91～+4 dBV范圍信號的幅度值，其輸出公式為
其中，VOUT為檢波輸出；VY為斜率電壓；VIN為輸入信號電壓；VX為截止電壓。
AD8310的OFLT和BFIN引腳的電容需要根據(jù)掃頻頻率來實時調(diào)節(jié)。經(jīng)過反復(fù)試驗，采用0.01μF，0.1μF，1μF，10μF和100μF的組合可實現(xiàn)20Hz～150MHz范圍內(nèi)的準(zhǔn)確檢測。
3 實測結(jié)果
本測試對LPF-BOR8低通濾波器進(jìn)行測量。該濾波器的截止頻率為1.2MHz。在儀器上電后，首先將輸出電平設(shè)定為0dBm，起始頻率設(shè)定為20Hz，終止頻率設(shè)定為1.5MHz。然后將儀器的輸出和輸入端短接，進(jìn)行幅度和相位校正。校正后，將儀器的輸出端接濾波器的輸入端，將濾波器的輸出端接儀器的輸入端進(jìn)行測量。測量結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，該濾波器通帶較為平穩(wěn)，相位趨于線性，-1dB轉(zhuǎn)折點約為1.2MHz，與該器件數(shù)據(jù)手冊給出數(shù)據(jù)相符。
4 結(jié)束語
儀器實現(xiàn)了對20Hz～150MHz范圍內(nèi)任意頻段的被測網(wǎng)絡(luò)幅頻特性和相頻特性測量、數(shù)據(jù)存儲、回放、峰值查找以及-3dB測量，Q值查找等計算。由于大量采用大規(guī)模集成電路，不僅提高了系統(tǒng)的集成度，減小了體積，而目提升了儀器的性能和穩(wěn)定性。實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化、低成本。目前儀器已進(jìn)人生產(chǎn)階段。
