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题目：简易频率特征测试仪 （E题）作者：纪强、朱志兵、张雅希赛前教导老师：黄光明 文稿整理教导老师：黄光明摘 要 本系统是基于零中频正交解调原理简易频率特征测试仪。采取AD9854 DDS集成芯片、C8051F020作为控制平台实现正交扫频信号源，RLC串联谐振电路用作被测网络，AD835乘法器、低通滤波器、同相百分比放大电路组成零中频解调模块，和正交扫频信号源共同组成简易频率特征测试仪。经最终测试，本系统能很好地完成对被测网络频率特征和相频特征曲线显示。Abstract The simple frequency characteristic tester system is based on the principle of zero-if quadrature demodulation. It uses AD9854 DDS integrated chip and C8051F020 MCU as the control platform to carry out the quadrature sweep signal generator. RLC series resonant circuit is used for the under tested network. AD835 multiplier together with low-pass filter and in-phase operational amplifier form the zero-if demodulation module. The quadrature sweep signal generator and the zero-if demodulation module make up the simple frequency characteristic tester. Through the final test, the system can show the frequency and phase response of the under tested network correctly.1 系统方案1.1 方案比较和选择1.1.1扫频信号源方案一：采取锁相环间接频率合成方案。锁相环频率合成在一定程度上处理了既要求频率稳定正确，又要求频率在较大范围可调矛盾。但输出频率易受可变频率范围影响，输出频率相对较窄，不能满足题目1MHz-40MHz高频要求。方案二：采取直接数字频率合成（DDS）方案。DDS技术含有输出频率相对较宽、频率转换时间短、频率分辨率高、全数字化结构便于集成，和相关波形参数（频率、相位、幅度）均可实现程控优点。采取集成芯片AD9854或FPGA可实现题目对扫频信号源要求。所以选择方案二。1.1.2控制平台方案一：采取FPGA或CPLD进行控制。利用FPGA能够方便地实现DDS信号源，但在液晶屏上显示幅频特征曲线和相频特征曲线较为困难，且FPGA成本较高。方案二：采取C8051F020单片机进行控制。C8051F020和8051兼容，速度可达25MIPS；它内部有两路ADC，速度分别为100ksps（12位）和500ksps（8位）；它含有4352字节内部数据RAM，64K字节FLASH存放器，支持在线编程。若选择C8051F020作为扫频仪控制单元，用其实现产生扫频信号、进行数据采集、处理和波形显示功效，能够满足题目要求，且其性价比高。所以选择方案二。1.1.3低通滤波器方案一：采取有源滤波。有源滤波在实现滤波同时可实现增益调整，但电路较为复杂。方案二：采取无源滤波。无源滤波电路在实现上愈加方便简单。若要实现增益可控，直接在其后面加一个同相百分比放大器即可。所以选择方案二。1.2 方案描述系统总体框图图1所表示。采取DDS芯片AD9854及C8051F020单片机作为控制单元产生扫频信号，辅以按键控制实现1MHz-40MHz，最小步进100KHz范围内连续扫频输出和点频测量。RLC串联谐振电路用作被测网络。经AD835乘法器和低通滤波器得到同相分量和正交分量直流信号，ADC转换送入单片机，在单片机内进行数据处理，计算得到对应频率点上相位和幅度，经过液晶屏显示幅频特征和相频特征曲线。ADCsinwtcoswt液晶显示C8051F020单片机AD9854（DDS）被测网络零中频解调网络(乘法器，LPF)按键控制频率特征测试仪图1 系统总体框图2 理论分析和计算2.1 系统原理设正交信号源产生信号经被测网络后输出为。则同相分量支路： （1）低通滤波后（假设滤波器对幅度影响为C）： （2） 类似，得到正交分量支路： （3） 低通滤波后（假设滤波器对幅度影响为C）： （4）由（2）式和（4）式，可得相位： （5）幅度： （6）2.2 滤波器设计经乘法器输出信号如式（1）、（3）所表示，需设计低通滤波器，滤除高频分量，留下直流分量。据式（1）、（3）分析，滤波器截止频率低于1MHz即可，但考虑到电路会不可避免地产生其它频率干扰，所以低通滤波器截止频率越小，滤波效果越好，测量精度越高。2.3 ADC设计C8051F020单片机自带有两路ADC，其中ADC0为12位，最高速度100ksps；ADC1为8位，最高速度500ksps。出于精度考虑，两路AD均选择12位ADC0（即中间进行分时转换实现）。题目要求频率范围为1MHz-40MHz，最小步进100KHz，可连续扫频输出，且一次扫频时间小于等于2s，所以2s内需要ADC采样390个点，即完成单次ADC采样时间不能超出5ms，而利用ADC0采样一次仅需10us，中间切换通道大约需要22us，能够满足题目要求。2.4 被测网络设计被测网络采取RLC串联谐振电路。 图2 RLC串联谐振电路 中心频率： （7） 有载品质因数： （8） 其中为中心角频率，为环路总电阻。 回路带宽： （9）题目要求被测网络中心频率20MHz，有载品质因数4。取电容C=18pF，为满足中心频率为20MHz，将f0和C代入（7）式，计算得L=3.52uH。将Qr=4，C=18pF代入式（8），计算得r=Ro+Ri+R=110，故R=10。2.5 特征曲线显示液晶显示包含幅频特征和相频特征曲线。用矢量网络分析仪测试RLC被测网络幅频特征和相频特征，得到对应图像和数据；测试零中频解调网络ADC_I和ADC_Q采样值，导入matlab进行处理，得到经频率特征测试仪硬件电路输出而计算得到幅频和相频特征曲线。最终依据实测和计算得到特征曲线进行程序校准，得到和真实值靠近曲线，在液晶屏上显示。3 电路和程序设计3.1 电路设计3.1.1 DDS信号源采取AD9854数字合成器，和电平转换电路和差分放大电路组成自制DDS电路板和C8051F020作为控制单元共同实现正交扫频信号源。自制DDS电路板框图如3所表示。控制输入 差分放大电路 AD9854 图3自制DDS电路板框图3.1.2 RLC被测网络 被测网络采取RLC串联谐振回路，依据前述对被测网络理论分析，确定R、L、C分别为：R=10，L=3.52uH，C=18pF。经试验调试，最终电路参数为：R=6，L=3.36uH，C=18pF（其中L为自绕电感），图4所表示。被测网络幅频特征和相频特征理论仿真图5所表示。图4 被测网络图5被测网络幅频、相频特征曲线图3.1.3乘法器采取乘法器专用芯片AD835。它是一个电压输出四象限乘法器，能完成W=XY+Z功效；其带宽高达250MHz，满足题目1MHz-40MHz信号输入要求；且其输出噪声经典值小，确保了输出信号尽可能小失真。另外AD835所需外围电路少，配置方便。信号经乘法器和低通滤波后输出直流信号范围在-1V+1V，为确保送入单片机直流信号为正，必需在进行AD转换前加1V以上直流偏置，本设计选择在乘法器模块加125mV直流偏置（即Z=125mV），经后级10倍同相百分比放大可满足上述要求。其中125mV直流偏置，采取TL431稳压输出2.5V后经过电阻分压得到，同相百分比放大选择OPA227实现，具体乘法器电路图6所表示。 图6 乘法器电路3.1.4低通滤波器设计采取2阶无源低通滤波器，其截至频率为： （10） 图7 低通滤波器3.2 程序设计该设计软件部分采取C语言编写。为使AD9854输出正交信号频率稳定度高、幅度平坦度好，选择单片机内部25MHz晶振用作时钟。总程序由调度模块，键盘服务程序，相位校准程序，ADC模块及显示服务子程序组成。其中自动校按时将被测网络短接，经过一次扫频将系统误差存放在单片机中。然后接入被测网络，对应每一个频率点误差将被纠正，最终计算得到幅频和相频。主程序步骤图图8所表示，ADC采样步骤图图9所表示，按键处理步骤图图10所表示。 图8 主程序步骤图 图9 ADC采样步骤图图10 按键处理步骤图4 测试方案和测试结果4.1 测试仪器及测试方案 4.1.1测试仪器表1测试仪器仪器型号混合信号数字示波器Tekeronix MSO 程控直流电源MYWAVE MPD-3303台式万用表UNI-T UT802多功效计数器绿扬 YB3371矢量网络分析仪Agilent Technologies E8362B 4.1.2测试方案 （1）采取混合信号数字示波器和多功效计数器，测量正交扫频信号源性能。 （2）将被测网络接入制作完成简易频率特征测试仪进行测试。将测得幅频特征曲线和相频特征曲线和理论值进行对比，检验此仪器性能。4.2 测试数据（1）基础部分表2 I、Q通道输出频率、幅度及误差测试表按键输入频率/MHzI通道输出频率（频率计测量）/MHzQ通道输出频率（频率计测量）/MHzI通道输出幅度/VppQ通道输出幅度/Vpp幅度平衡误差11.00000031.00000031.701.700.000%54.99999894.99999891.681.701.190%1010.00001010.00001011.721.720.000%1515.000002015.00000201.721.741.163%2019.999988919.99998891.701.742.353%2525.000003025.00000301.701.763.529%3030.000005030.00000501.721.762.326%3535.000010035.00001001.701.701.176%4040.000000140.00000011.721.721.176%（2）发挥部分表3 频率特征测试仪、RLC被测网络参数输入电阻50输出电阻50是否能够进行点频测量是RLC被测网络中心频率20.35MHz 误差1.750%RLC 被测网络3dB带宽5.05MHzRLC 被测网络有载品质因数4.03 误差0.700%RLC 被测网络有载最大增益-0.7443dB ( -1dB)表4 RLC串联谐振电路特征曲线按键输入频率幅度测量/dB相位测量/度1MHz-43.2-76.05MHz-24.787.610MHz-16.382.315MHz-9.369.320MHz-0.97.225MHz-6.8-57.230MHz-11.9-75.235MHz-14.9-80.640MHz-16.0-83.6 利用制作简易频谱特征测试仪测得待测网络幅频特征曲线和相频特征曲线图11、12所表示。 图11 幅频特征曲线液晶显示 图12 相频特征液晶显示（3）其它部分 本设计一大创新之处是，在测量之初，采取短接被测网络即内测校准方法减小了系统误差。4.3 测试结果分析对上述测量数据进行分析计算可知，信号源频率稳定度均小于；I路信号幅度平坦度为2.381%，Q路信号幅度平坦度为3.529%；正交信号幅度平衡误差最大为3.529%；RLC被测网络中心频率误差为1.750%；有载品质因数误差为0.700%，各项指标均在误差许可范围之内，很好完成了简易频率特征测试仪设计任务。5 结束语 本系统是基于零中频正交解调原理简易频率特征测试仪，用于检测被测网络幅频特征和相频特征。经最终测试，本系统能很好地完成对被测网络频率特征和相频特征曲线显示。在系统设计过程中，我们碰到了很多问题，经过小组组员间交流最终得以处理。这让我们深刻地体会到共同协作和团体精神关键性，而且也从中提升了自己发觉问题、处理问题能力。