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1、1简易频率特性测试仪（E 题）2013 年全国电子设计大赛2摘要：本频率特性测试仪由 AD9854 为 DDS 频率合成器，MSP430 为主控制器，根据零中频正交解调原理对被测网络针对频率特性进行扫描测量，将DDS 输出的正弦信号输入被测网络，将被测网络的出口信号分别与 DDS 输出的两路正交信号通过模拟乘法器进行乘法混频，通过低通滤波器取得含有幅频特性与相频特性的直流分量，由高精度 A/D 转换器传递给 MSP430 主控器，由MSP430 对所测数据进行分析处理，最终测得目标网络的幅频特性与相频特性，同时通过 LCD 绘制相应的特性曲线，从而完成对目标网络的特性测试。本系统具有低功耗，成
2、本低廉，控制方便，人机交互友好，工作性能稳定等特点，不失为简易频率特性测试仪的一种优越方案。关键字：DDS9854，MSP430，频率特性测试34目录一、设计目标 .41、基本要求： .42、发挥部分： .4二、系统方案 .4方案一 .5方案三 .5方案二 .5三、控制方法及显示方案 .5四、系统总体框图 .6五、电路设计 .71、DDS 模块设计 .72、DDS 输出放大电路 .73、RLC 被测网络 .84、乘法器电路 .85、AD 模数转换 .9六、软件方案 .10七、测试情况 .111、测试仪器 .1152、DDS 频率合成输出信号： .113、RLC 被测网络测试结果 .124、频谱
3、特性测试 .12八、总结 .12九、参考文献 .12十、附录 .13一、设计目标根据零中频正交解调原理，设计并制作一个双端口网络频率特性测试仪，包括幅频特性和相频特性。61、基本要求：制作一个正交扫频信号源。（1）频率范围为1MHz40MHz，频率稳定度10-4；频率可设7置，最小设置单位100kHz。（2）正交信号相位差误差的绝对值5，幅度平8衡误差的绝对值5%。（3）信号电压的峰峰值1V，幅度平坦度5%。（4）9可扫频输出，扫频范围及频率步进值可设置，最小步进100kHz；要求连续扫频输出，10一次扫频时间2s。2、发挥部分：（1）使用基本要求中完成的正交扫频信号源，制作频率特性测试仪。a
4、.输入阻抗为 50，输出阻抗为 50；b.可进行点频测量；幅频测量误差的绝对值0.5dB，相频测量误差的绝对值5；数据显示的分辨率：电压增益 0.1dB，相移 0.1。（2）制作一个RLC串联谐振电路作为11被测网络，其中Ri和Ro分别为频率特性测试仪的输入阻抗和输出阻抗；制作的频率特12性测试仪可对其进行线性扫频测量。a.要求被测网络通带中心频率为 20MHz，误差的绝对值 5%；有载品质因数为 4，误差的绝对值5%；有载最大电压增益 -1dB ；b.扫频测量制作的被测网络，显示其中心频率和-3dB 带宽，频率数据显示的分辨率为 100kHz；c.扫频测量并显示幅频特性曲线和相频特性曲线，要
5、求具有电压增益、相移和频率坐标刻度。幅频特性曲线的纵坐标为电压增益（dB） ；相频特性曲线的纵坐标为相移（） ；特性曲线的横坐标均为线性频率（Hz） 。发挥部分中，一次线性扫频测量完成时间30s。（3）其他。13二、系统方案图 1 系统方案方案一方案一对 DA 的转换速率要求过高，市售 DA 速率根本无法达到题目要求，对主控芯片主频及驱动时钟频率要求过高，而且成本较高，故放弃方案一。方案三方案三中虽然采用 DDS9854 做信号源，想法较好，通过数字处理可以得到更好的结果，但考虑到信号最高频率达到 40M，为保证奈奎斯特采样定律，至少应使用 80M 采样率的 AD，考虑到高速 AD 价格不菲，
6、所以不宜采用方案三。方案二综合考虑，方案二成本较低，且效果较好，前期通过模拟电路处理，最后通过14低速 AD 送入单片机处理即可完成题目要求，整个方案保持低成本、低功耗，工作性能稳定，故选方案二。三、控制方法及显示方案对 DDS9854 定性分析并设计外围电路制作 PCB 板，可以实现峰峰值200400mV 两路正交信号输出。为满足输出信号峰峰值在 1V 以上，我们采用THS3001 高速运放搭建宽带放大器连接在 9854 输出端，提供 6.1 倍增益。同时为满足正交信号相位误差和幅度平衡误差要求，两路宽带放大器电路应尽可能相同。另外为满足 140MHz 输出信号幅度平坦度在 5%以内，宽带放
7、大器应具有尽可能平坦的通带增益。利用 MSP430 单片机对 DDS9854 进行控制，并通过 12864 液晶屏显示菜单交互界面，满足直接设置频率、连续扫频输出、可调节步进输出等题目要求功能。发挥部分中，设两路正交信号分别为 V1=Acost 与 V2=Asint，且余弦信号经过待测网络后变为 Vx=ABcos(t+)。计算可知：V1Vx=1 2A2Bcos(2t+)+1 2A2BcosV2Vx=1 2A2Bsin(2t+)-1 2A2Bsin因此，如果将相乘所得信号经过低通滤波器滤出直流分量 I=1 2A2Bcos和 Q=-1 2A2Bsin，则可以计算出 1 2A2B=(I 2+Q2)，
8、=-arctan(Q/I)，由此可以得出频率 f=/2 处待测网络的幅频与相频响应。在扫频模式下，每隔100KHz 记录下一个频率点的响应，即可绘出待测网络的幅频与相频曲线。在实际设计中，我们先将余弦信号送入被测网络，网络输出分为两路，分别与原正弦、余弦信号利用 AD835 高速模拟乘法器相乘。将此时两路输出信号各自经过低通滤波滤出直流分量。由于乘法器所得直流分量较小，约2050mV，因此我们在低通滤波器之后加入了由低失调电压运放 OP27 搭建的放大器，将直流信号放大到 200500mV。此时信号需要经过 AD 转换送入单片机进行处理，我们打算采用高精度 AD TLC2543 完成。由于 T
9、LC2543 只支持单极性输入，而 I 与 Q 极性无法事先确定，所以我们在 AD 转换之前加入了由LM385 电压基准和 AD817 组成的加法器模块提供 2.5V 偏置。数字信号送入单片机后，由单片机分析数据得到直流信号中包含的频率与相位信息，通过15320240 分辨率的 TFT 彩屏分两屏绘制出被测网络的幅频相频曲线。四、系统总体框图图 2 系统总体框图五、电路设计1、DDS 模块设计DDS 模块的设计是本系统的重点。DDS 模块主要是围绕芯片 AD9854 进行设计的，设计要求既要满足性能指标，还要求优化电路，减小电路面积，改进布线布局，否则造成输出不稳将使得后续方案无法继续进行。下
10、面先介绍AD9854 的基本特性。如图所示，AD9854 内部包括一个具有 48 位相位累加器、一个可编程时钟倍频器、一个反 sinc 滤波器、两个 12 位 300MHz DAC，一个高速模拟比较器以及接口逻辑电路。16位相位偏置字 参考频率倍频器频率累加器相位累加器波形存储器频率控制字 ， 以及频率控制逻辑程序寄存器 位频 率转 换字逆 s i n c 滤波器位幅度调制数据数字乘法器上升和下降边沿乘法器 端口缓冲器 程序更新时钟 位 位 位控制数据位地址 总线位数据 总线时钟模式参考时钟输入 更新双向寄存器更新信号读信号写信号串行 并行选择 复位电源 地比较器输入模拟信号输出模拟信号输出比较器输出图 3 AD9854 功能结构框图其主要性能特点如下：1) 高达 300MHz 的系统时钟；2) 能输出一般
