基于DSP的頻率特性測(cè)試儀設(shè)計(jì)

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(hào)處理和顯示技術(shù)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)低成本、數(shù)字化、智能化的頻率特性測(cè)試儀。實(shí)現(xiàn)了對(duì)20 Hz～150 MHz范圍內(nèi)任意頻段的被測(cè)網(wǎng)絡(luò)幅頻特性和相頻特性測(cè)量。完成了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、-3曲帶寬計(jì)算、峰值查找等功能，幅度檢測(cè)精度達(dá)到1dBm，相位檢測(cè)精度1°等指標(biāo)。
關(guān)鍵詞 DSP；DDS；幅頻測(cè)量；相頻測(cè)量

    傳統(tǒng)掃頻儀的信號(hào)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(lái)實(shí)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(jià)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(cè)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(duì)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(hào)處理技術(shù)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)低成本，高度數(shù)字化和智能化的頻率特性測(cè)試儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)20 Hz～150 MHz范圍內(nèi)任意頻段的被測(cè)網(wǎng)絡(luò)幅頻特性和相頻特性測(cè)量和顯示，完成了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回放和傳輸，-3 dB帶寬計(jì)算，峰值查找等功能。幅度檢測(cè)精度達(dá)到1dBm，相位檢測(cè)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(chǔ)處理單元、DDS信號(hào)源單元、幅度和相位檢測(cè)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(jì)
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(chǔ)處理單元的核心。DSP通過(guò)PPI、SPI和PF接口與FPGA進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)讀取，DDS掃描，A／D采集，LCD掃描等功能，通過(guò)UART單元與計(jì)算機(jī)實(shí)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(shí)序轉(zhuǎn)換、鍵盤(pán)掃描、SPI通信和信號(hào)分配等功能。另外，DSP通過(guò)EBIU單元連接AM29LV800和MT48L32M16分別作為程序與工作狀態(tài)存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示緩存。工作原理如圖2所示。

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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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(hào)。該A／D轉(zhuǎn)換器具有4個(gè)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2．5 V參考電壓。
2．3 DDS信號(hào)源單元
    DDS技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號(hào)通過(guò)DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式信號(hào)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(duì)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(chǔ)器做為查找表，然后再通過(guò)查找表將數(shù)據(jù)讀出，經(jīng)過(guò)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(lái)。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(gè)獨(dú)立的DDS核，分別具有兩個(gè)獨(dú)立的32位頻率控制字和14位相位控制字，一個(gè)10位的幅度控制字。內(nèi)部集成PLL，芯片最高工作頻率500 MHz，輸出信號(hào)最高頻率可達(dá)180 MHz。DSP通過(guò)SPI和PF接口經(jīng)FPGA信號(hào)分配邏輯對(duì)AD9958進(jìn)行頻率、相位和幅度控制字的配置，如圖4所示。

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    AD9958采用25 MHz外部時(shí)鐘輸入，經(jīng)內(nèi)部PLL倍頻后產(chǎn)生500 MHz內(nèi)核工作時(shí)鐘。輸出信號(hào)為兩路同頻的正弦和余弦信號(hào)。為避免數(shù)字噪聲對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾，芯片的3．3 V數(shù)字供電與模擬供電部分需采用型網(wǎng)絡(luò)隔離，并對(duì)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(hào)，需采用51Ω上拉到1．8 V轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，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(hào)電平范圍為-10～-3 dBm。AD9958信號(hào)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(jì)的信號(hào)源輸出電平范圍為-87～13 dBm。而前級(jí)DDS信號(hào)源單元的輸出信號(hào)電平范圍為-10～-3 dBm，因此需要對(duì)前級(jí)信號(hào)進(jìn)行電平調(diào)節(jié)。該單元的信號(hào)流圖如圖6所示。

    本單元首先通過(guò)寬帶運(yùn)放THS3201將前級(jí)信號(hào)電平放大到12～19 dBm。然后通過(guò)可控衰減網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)輸出-87～13 dBm范圍內(nèi)的信號(hào)。通過(guò)控制接通不同的型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示?？煽厮p網(wǎng)絡(luò)由-8 dB、-16 dB、-32 dB和-64 dB這4種型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)組成，通過(guò)68595驅(qū)動(dòng)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(cè)單元
    本儀器選用AD8302構(gòu)建了相位差檢測(cè)電路。AD8302可對(duì)0～2．7 GHz，-60～0 dBm范圍內(nèi)的兩輸入信號(hào)之間的幅度比和相位差進(jìn)行精確測(cè)量，其中相位檢測(cè)精度可達(dá)1°。AD8302相位檢測(cè)曲線如圖7所示。

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    由圖7可知，使用單片的AD8032無(wú)法進(jìn)行-180°～180°范圍內(nèi)的監(jiān)相。為實(shí)現(xiàn)-180°～180°監(jiān)相，儀器采用I、Q正交檢測(cè)方法。即DDS信號(hào)源輸出兩路同頻正交信號(hào)，該正交信號(hào)分別通過(guò)兩片8302與待測(cè)信號(hào)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(shí)現(xiàn)-180°～180°范圍檢測(cè)。

2．6 幅度檢測(cè)單元
    本儀器幅度檢測(cè)電路由對(duì)數(shù)放大器AD8310和濾波電容單元組成。AD8310可檢測(cè)0～440 MHz，-91～+4 dBV范圍信號(hào)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(hào)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(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，采用0．01μF，0．1μF，1μF，10μF和100μF的組合可實(shí)現(xiàn)20 Hz～150 MHz范圍內(nèi)的準(zhǔn)確檢測(cè)。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果
    本測(cè)試對(duì)LPF-BOR8低通濾波器進(jìn)行測(cè)量。該濾波器的截止頻率為1．2 MHz。在儀器上電后，首先將輸出電平設(shè)定為0 dBm，起始頻率設(shè)定為20 Hz，終止頻率設(shè)定為1．5 MHz。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(cè)量。測(cè)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，-1 dB轉(zhuǎn)折點(diǎn)約為1．2 MHz，與該器件數(shù)據(jù)手冊(cè)給出數(shù)據(jù)相符。

4 結(jié)束語(yǔ)
    儀器實(shí)現(xiàn)了對(duì)20 Hz～150 MHz范圍內(nèi)任意頻段的被測(cè)網(wǎng)絡(luò)幅頻特性和相頻特性測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、回放、峰值查找以及-3 dB測(cè)量，Q值查找等計(jì)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(shí)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。