摘要：傳統(tǒng)的頻率特性測試儀不僅價格昂貴，且得不到相頻特性，更不能保存頻率特性圖和打印頻率特性圖，也不能與計算機接口，給使用者帶來了諸多不便。而本文采用DDS技術(shù)作為掃頻信號源；同時采用了集成模擬芯片AD8302對幅度和相位進行檢測，用DSP芯片TMS320VC5409和CPLD芯片EPM7128進行測量控制和數(shù)據(jù)處理，人杌接口部分是利用單片機AT89C51實現(xiàn)，并配有打印機接口和串行通信接口。系統(tǒng)基本達到了全數(shù)字化，這有利于縮小儀器的體積，減輕重量，降低成本，并能較好的顯示幅頻特性和相頻特性曲線。
關(guān)鍵詞：DDS；DSP；CPLD；頻率特性
在現(xiàn)代電子測量中掃頻測量占有重要地位，頻率特性測試儀運用掃頻技術(shù)可以對被測網(wǎng)絡進行快速的動態(tài)測量，得到被測網(wǎng)絡傳輸特性的實時測量結(jié)果。以往的模擬掃頻儀大多是用LC電路構(gòu)成的掃頻振蕩器，其體積龐大，結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴，而且只能顯示幅頻特性曲線，不能得到相頻特性曲線，給使用者帶來諸多不便。隨著電子科技的飛速發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡化、信息化，傳統(tǒng)的頻率特性測試儀已經(jīng)無法完全滿足科研人員的需要。因此，對于數(shù)字化、智能化高性能頻率特性測試儀的需求量日益增大。
1 系統(tǒng)總體方案設計
頻率特性測試系統(tǒng)一般包含測試信號源、被測網(wǎng)絡、檢波及顯示3個部分。本系統(tǒng)根據(jù)所要完成的測試功能及技術(shù)指標，該系統(tǒng)應由掃頻源、幅度相位測量電路、控制及運算部分、人機接口單元幾部分組成。系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。
信號源電路由信號發(fā)生電路和信號調(diào)理電路兩部分組成。在本系統(tǒng)中信號發(fā)生電路采用DDS技術(shù)(即直接數(shù)字頻率合成技術(shù))實現(xiàn)，用于產(chǎn)生頻率、持續(xù)時間等均可控的掃頻信號，并能夠滿足一般用戶對頻率范圍的要求；信號調(diào)理電路主要是對信號中的噪聲進行抑制并對輸出信號的功率起到控制作用。
增益相位檢測電路是為了檢測被測網(wǎng)絡兩端的幅度差和相位差。先對被測網(wǎng)絡兩端的信號進行預處理后對其進行模擬鑒幅和鑒相，然后把幅度差和相位差的模擬量由ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送給控制及數(shù)據(jù)處理電路進行分析處理。
控制及數(shù)據(jù)處理電路要完成邏輯控制、數(shù)據(jù)處理和與人機接口部分通信3個主要功能，由DSP和CPLD組成。主要用于控制整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，并對測量及人機接口部分來的數(shù)據(jù)進行分析處理。
圖形顯示及接口電路負責接收各種指令和顯示測量結(jié)果，例如，測量時掃頻信號所需要的起始頻率、終止頻率、頻率問隔、單頻點持續(xù)時間、信號功率等參數(shù)，以及測量完成后顯示特性曲線時顯示方式的設置，如：刻度大小選擇、文字標注方式、坐標選擇等。
2 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)由掃頻源、幅度相位測量電路、控制及運算部分、人機接口單元幾部分組成。
2．1 掃頻信號源設計
直接選用DDS技術(shù)設計掃頻信號源。從本設計要求低頻和成本考慮，這里選擇AD7008系列中20 MHz芯片。掃頻信號源框圖如圖2所示。由于AD7008內(nèi)部沒有時鐘發(fā)生電路，所以需要外部時鐘源提供時鐘信號，本系統(tǒng)采用NBC12439為AD7008提供時鐘信號。
由于AD7008輸出信號的幅度不能達到系統(tǒng)所要求的-55～+18 dBm的范圍，故需要對信號進行放大，放大電路的設計較為簡單，為了便于對輸出信號的功率控制使用了可控增益放大器，易于數(shù)字控制增益的大小；又因為輸出信號的最大功率要達到+18 dBm且信號頻率最高達5 MHz，普通的運放難以達到要求，故使用射頻放大器來提升信號的輸出功率。AD7008所產(chǎn)生的信號直接由器件內(nèi)部的DAC輸出，內(nèi)部不含低通濾波器，故要對其輸出信號進行濾波處理。
2．2 幅度相位檢測電路的設計
介紹用幅度相位檢測芯片AD8302來檢測被測網(wǎng)絡的幅度和相位，及其信號調(diào)理電路，以及模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換電路和相位的極性判斷電路。由于增益相位檢測器AD8302要求被檢測的兩路信號功率在-60～0dBm范圍內(nèi)，為防止損壞器件，需對兩路信號進行功率調(diào)整，本系統(tǒng)使用了易于數(shù)字控制增益的可控增益放大器AD8369和對數(shù)放大器AD8307構(gòu)成一個反饋系統(tǒng)進行自動調(diào)整。對數(shù)放大器AD8307可以對信號的幅度進行檢測，通過被檢測到的幅度范圍，系統(tǒng)調(diào)整可控增益放大器AD8369的放大倍數(shù)，使增益相位檢測器AD8302能夠有效地對被測網(wǎng)絡的增益和相位進行檢測。將模擬增益和相位檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的方法是采用ADC，由于檢測結(jié)果是個慢變信號，因此對ADC的速度要求較低，本系統(tǒng)中具有3路模擬量要轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，因此選用了多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器件——ADS8364。幅度相位檢測電路的硬件設計方案如圖3所示。
另外，由于AD8302檢測的相位是0～180°之間，不能給出相位是超前還是滯后，所以需要相位極性判斷電路對相位進行判斷，其電路主要由分頻器電路、施密特觸發(fā)器、D觸發(fā)器等組成。
2．3 數(shù)據(jù)處理及控制電路設計
數(shù)據(jù)處理及控制單元主要完成通信、數(shù)據(jù)處理、功能控制等工作。主要由TMS320VC5409、晶體振蕩器、電源控制、WATCHDOG和CPLD等器件組成。
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2．3．1 電路設計
這一部分電路是數(shù)字電路，所用器件均為數(shù)字器件，核心芯片是TI公司的數(shù)據(jù)處理芯片TMS320VC5409和ALTEM公司的CPLD芯片EPM7128。電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
因為系統(tǒng)是對電網(wǎng)絡進行實時測量，在測量過程中要采集大量的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)還需要進行數(shù)字濾波等方法來提高準確度，所以系統(tǒng)必然需要大數(shù)據(jù)量的運算，而單片機的運算能力弱不能達到實時處理的要求，故采用DSP作為數(shù)據(jù)處理電路的核心，考慮到系統(tǒng)成本因素采用TI公司的54系列DSP。
在選擇可編程邏輯器件時，容量大小是需要考慮的最基本問題。故在器件選擇前，先確定完成設計功能所需邏輯資源的多少，本系統(tǒng)對CPLD所要完成的功能經(jīng)仿真、綜合后，約需占用1 500門左右的邏輯資源。綜合考慮之后選擇了Altera公司Max7000系列的EPM7128。
在圖4中TMS320VC5409通過主機接口(HPI)接受單片機系統(tǒng)來的各種控制命令，并通過EPM7128STC控制掃頻信號源中的時鐘發(fā)生器NBCl24 39、DDS芯片AD7008和可控增益放大器AD8369產(chǎn)生信號功率可控的掃頻信號；控制增益相位檢測電路中的2個可控增益放大器AD8369和A／D轉(zhuǎn)換器ADS8364進行信號檢測；據(jù)輸入信號頻率對兩個MC12080的分頻比進行控制；選通D觸發(fā)器讀入相位極性。
2．3．2 看門狗電路設計
由于本系統(tǒng)是一個獨立的系統(tǒng)，且DSP系統(tǒng)的工作時鐘頻率較高，在運行時極有可能發(fā)生干擾和被干擾，嚴重時系統(tǒng)可能會出現(xiàn)死機現(xiàn)象，為了克服這個毛病，除了在軟件上做一些保護措施外，在硬件上也必須做相應的處理。硬件上最有效的保護措施通常采用具有監(jiān)視功能(WATCHDOG)的自動復位電路。
其基本原理為：電路提供一個用于監(jiān)視系統(tǒng)運行的信號，當系統(tǒng)運行正常時，應在規(guī)定的時間范圍內(nèi)給監(jiān)視線一個高低電平發(fā)生變化的信號，如果在規(guī)定的時間內(nèi)這個信號不發(fā)生變化，自動復位系統(tǒng)就認為系統(tǒng)運行不正常并重新對系統(tǒng)進行復位。本系統(tǒng)采用MAXIM公司的微處理監(jiān)視電路MAX706-T實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)視，電路如圖5所示。
2．4 單片機系統(tǒng)設計
本系統(tǒng)主要功能是完成人機接口功能和通信功能，包括鍵盤、液晶顯示器、標準串行接口、微型打印機接口和與DSP通信的HPI接口等。單片機系統(tǒng)總體框圖如圖6所示。
單片機是用AT89C51，通過1片8255A來擴展其并口，8255A的C口用于鍵盤接口，A口接到打印機數(shù)據(jù)線，打印機的控制線接于單片機的P1口(占3位)，8255A的B口對液晶顯示器進行控制，液晶顯示器的數(shù)據(jù)線通過緩沖器接于單片機的P0口。HPI接口完成與DSP的通信。
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)電路的軟件設計包括DSP軟件設計和CPLD的軟件設計。
3．1 DSP軟件設計
DSP軟件的設計使用了TI公司的CCS開發(fā)工具，通過DSP仿真器進行調(diào)試，使用C語言和匯編語言混合編程。
DSP軟件程序主要功能是通過中斷方式從單片機系統(tǒng)中得到各種設置參數(shù)和命令，并根據(jù)這些參數(shù)和命令進行相應設置和相應操作，并將采集的數(shù)據(jù)處理后送單片機系統(tǒng)顯示。另外還要照看看門狗。其程序流程圖如圖7所示。
3．1．1 主程序設計
系統(tǒng)上電后，TMS320VC5409內(nèi)部固化的加載程序檢測到外部8為并行加載方式有效，則將存儲在AT29C010A中的源程序取出存入內(nèi)部SRAM中。源程序占據(jù)FLASH的低32 K地址空間0000H～7FFFH，同時映射在DSP外部數(shù)據(jù)存儲空間8000H～FFFFH。加載過程中DSP軟件上自動設置7個等待周期，可保證數(shù)據(jù)存取正確。加載完畢程序開始順序執(zhí)行，首先設置定時器，開定時器中斷，使其在每低于0．8 s的時間內(nèi)產(chǎn)生一次中斷，在定時器中斷子程序中設置專用輸出管腳XF,使看門狗的輸入端定時產(chǎn)生變化，否則其將產(chǎn)生DSP的RESET信號。然后，對系統(tǒng)進行初始化，初始化結(jié)束后。為了降低系統(tǒng)功耗可使DSP進入空轉(zhuǎn)狀態(tài)(IDLE)，直到中斷發(fā)生。程序流程如圖8所示。
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初始化包含DSP初始化、AD7008初始化以及AD8369的初始化。DSP的初始化主要是對中斷向量的定義，內(nèi)部時鐘的設置，外部等待時間的設置以及內(nèi)部空間SRAM／DRAM的映射等，這些都是通過對DSP內(nèi)部專用寄存器的設置來完成的。AD7008的初始化可通過設置控制寄存器來完成。AD8369的初始化是把AD8369的放大倍數(shù)降為最小-10 dB，可以減少信號源電路的射頻功放的功率，也可以保護增益與相位檢測電路中增益鑒相器AD8302，使AD8302的輸入信號功率保持為最低，防止輸入信號功率過大損壞器件。
3．1．2 HPI中斷服務程序設計
HPI口是連接單片機與DSP的接口，通過HPI口，主機也就是單片機可以向DSP寫數(shù)據(jù)，也可以從DSP的RAM單元讀取數(shù)據(jù)；同時通過HPI口控制寄存器提供的中斷位，以及HPI的中斷信號中斷單片機，主機和單片機可以實現(xiàn)很好的對話。并且，根據(jù)單片機來的數(shù)據(jù)，進行相應操作。其流程圖如圖9所示。
AD7008單頻工作的目的是為了檢測輸入信號的幅度范圍，從而設置輸入AD8369的增益倍數(shù)。AD7008以起始頻率為頻率點進行單頻工作，輸入信號的幅度檢測由AD8307來完成，檢測結(jié)果由ADS8364的C通道進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，供DSP采集。當采集到的數(shù)據(jù)個數(shù)達到系統(tǒng)設置值后，DSP對數(shù)據(jù)進行處理，判斷出輸入信號的幅度，以設置檢測電路中AD8369(2、3)的增益。
3．1．3 AD中斷服務程序設計
在AD中斷服務子程序中，主要是對采樣數(shù)據(jù)的讀取，如果是ADS8364的C通道的數(shù)據(jù)則是對輸入信號進行幅度判斷：如果是ADS8364的A，B通道的數(shù)據(jù)則是進行幅度相位的測量。測量結(jié)束后，將處理好的數(shù)據(jù)送單片機顯示。其流程圖如圖10所示。
通過C通道判斷以后，就設置好了檢測電路中的AD8369(2、3)，完成了掃頻測試前的準備工作，AD7008可以開始掃頻工作了。按照起始頻率、頻率步長、單頻點持續(xù)時間等對AD7008相應寄存器進行設置，使AD7008輸出滿足要求的掃頻信號；緊接著啟動ADS8364的A、B兩通道進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換的是AD8302的增益和相位檢測電壓：DSP在中斷服務子程序中對ADS8364進行數(shù)據(jù)采集。并做以下工作：接收采集數(shù)據(jù)，判斷單頻點采集到的數(shù)據(jù)量，進行單頻點數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波和簡單計算處理，判斷掃描頻率點數(shù)是否達到要求，決定掃頻是否結(jié)束，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形顯示格式送單片機顯示。
3．1．4 1s中斷服務程序設計
1s中斷服務程序較為簡單，就是照看看門狗，看門狗是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要部件，由于系統(tǒng)的高速運行，外界的干擾以及程序內(nèi)部的有關(guān)問題，都有可能導致系統(tǒng)的運行不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)死機的情況。設置看門狗就是在系統(tǒng)出現(xiàn)意外而導致運行紊亂、死機時，自動恢復運行的保證。在系統(tǒng)出現(xiàn)上述情況時，當時間超過1 s時，看門狗將自動重新啟動系統(tǒng)。相關(guān)內(nèi)容在系統(tǒng)硬件設計部分有涉及。
3．2 CPLD軟件設計
CPLD的軟件設計使用MAXIM公司的MAX+PLUSII開發(fā)工具，使用VHDL語言進行編程。這部分程序主要是對來自DSP的信號進行譯碼后，對各個器件進行控制，使整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，完成測量任務。其設計流程圖如圖11所示。
圖12是CPLD對AD7008控制時序的仿真結(jié)果。從圖中可以看到，當IOS和IOSTRB信號為低電平(這時DSP選中IO空間)時，CPLD芯片對DSP的高位地址(ADD15～ADD9)進行譯碼，當高位地址為00H時，選中AD7008芯片，并在DSP讀寫信號RW為低時，DDSWRB變?yōu)榈碗娖?，即對AD7008進行寫入操作；當高位地址為78H時，CPLD使DDSRESET信號變?yōu)榈碗娖剑磳D7008進行復位操作；當高位地址為01H時，CPLD使DDSFUD信號變?yōu)楦唠娖?，否則變?yōu)榈碗娖?，此信號在上升沿對AD7008內(nèi)部存貯器進行更新操作?？梢钥闯觯抡娼Y(jié)果符合要求。
圖13是CPLD對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8364的仿真結(jié)果，同樣，當IOS和IOSTRB信號為低電平(這時DSP選中10空間)時，CPLD芯片對DSP的高位地址(ADD15～ADD9)進行譯碼，當高位地址為20H時，ADCRESETB信號輸出低電平，對AD8364進行復位操作；當高位地址為30H時，ADCCSB信號輸出低電平，對ADS8364進行片選；當最高四位地址(ADD15～ADD12)為0CH時，由ADD11、ADD10、ADD9三位譯碼決定HOLDC、HOLDB、HOLDA的輸出電平；這3個信號分別控制ADS8364的3個采樣通道的轉(zhuǎn)換。由圖可以看出，其仿真結(jié)果符合要求。
4 測量結(jié)果
掃頻范圍0．004 7 Hz～5 MHz，可以在全頻段內(nèi)任意設置掃頻寬度，分辨率為0．004 7 Hz，輸出電平范圍-55～+18 dBm，掃頻步長可以在0．004 7 Hz～0．5 MHz范圍內(nèi)自行調(diào)整；輸出阻抗50 Ω，相位測量精度小于0.1°，幅度測量精度小于0.5 dB，不平坦度+／-0．25 dB，電控衰減并數(shù)字顯示衰減量，能在全頻范圍內(nèi)自動步進測量，可預置測量范圍及步進頻率值。能顯示幅頻特性和相頻特性曲線，并能根據(jù)選擇，放大局部曲線，可以用對數(shù)坐標和線性坐標顯示，并配有文字標注。
5 結(jié)束語
該系統(tǒng)設計可以方便地測量未知網(wǎng)絡中低頻率的相頻特性和幅頻特性，并在LED上顯示。適用于科研、教學以及生產(chǎn)領域等方面，與傳統(tǒng)的頻率測試儀相比，用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)為頻率特性測試儀實現(xiàn)數(shù)字化開辟了道路，利用液晶顯示器技術(shù)使頻率特性測試儀小型化成為可能。此測試儀有很強的應用價值，可取代傳統(tǒng)的頻率測試儀。
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