基于DSP的低频频率特性测试仪

摘要：传统的频率特性测试仪不仅价格昂贵，且得不到相频特性，更不能保存频率特性图和打印频率特性图，也不能与计算机接口，给使用者带来了诸多不便。而本文采用DDS技术作为扫频信号源；同时采用了集成模拟芯片AD8302对幅度和相位进行检测，用DSP芯片TMS320VC5409和CPLD芯片EPM7128进行测量控制和数据处理，人杌接口部分是利用单片机AT89C51实现，并配有打印机接口和串行通信接口。系统基本达到了全数字化，这有利于缩小仪器的体积，减轻重量，降低成本，并能较好的显示幅频特性和相频特性曲线。
关键词：DDS；DSP；CPLD；频率特性

在现代电子测量中扫频测量占有重要地位，频率特性测试仪运用扫频技术可以对被测网络进行快速的动态测量，得到被测网络传输特性的实时测量结果。以往的模拟扫频仪大多是用LC电路构成的扫频振荡器，其体积庞大，结构复杂，价格昂贵，而且只能显示幅频特性曲线，不能得到相频特性曲线，给使用者带来诸多不便。随着电子科技的飞速发展，数字化、网络化、信息化，传统的频率特性测试仪已经无法完全满足科研人员的需要。因此，对于数字化、智能化高性能频率特性测试仪的需求量日益增大。

1 系统总体方案设计
频率特性测试系统一般包含测试信号源、被测网络、检波及显示3个部分。本系统根据所要完成的测试功能及技术指标，该系统应由扫频源、幅度相位测量电路、控制及运算部分、人机接口单元几部分组成。系统总体方框图如图1所示。

信号源电路由信号发生电路和信号调理电路两部分组成。在本系统中信号发生电路采用DDS技术(即直接数字频率合成技术)实现，用于产生频率、持续时间等均可控的扫频信号，并能够满足一般用户对频率范围的要求；信号调理电路主要是对信号中的噪声进行抑制并对输出信号的功率起到控制作用。
增益相位检测电路是为了检测被测网络两端的幅度差和相位差。先对被测网络两端的信号进行预处理后对其进行模拟鉴幅和鉴相，然后把幅度差和相位差的模拟量由ADC转化为数字量，送给控制及数据处理电路进行分析处理。
控制及数据处理电路要完成逻辑控制、数据处理和与人机接口部分通信3个主要功能，由DSP和CPLD组成。主要用于控制整个系统的协调工作，并对测量及人机接口部分来的数据进行分析处理。
图形显示及接口电路负责接收各种指令和显示测量结果，例如，测量时扫频信号所需要的起始频率、终止频率、频率问隔、单频点持续时间、信号功率等参数，以及测量完成后显示特性曲线时显示方式的设置，如：刻度大小选择、文字标注方式、坐标选择等。

2 系统硬件设计
系统由扫频源、幅度相位测量电路、控制及运算部分、人机接口单元几部分组成。
2．1 扫频信号源设计
直接选用DDS技术设计扫频信号源。从本设计要求低频和成本考虑，这里选择AD7008系列中20 MHz芯片。扫频信号源框图如图2所示。由于AD7008内部没有时钟发生电路，所以需要外部时钟源提供时钟信号，本系统采用NBC12439为AD7008提供时钟信号。

由于AD7008输出信号的幅度不能达到系统所要求的-55～+18 dBm的范围，故需要对信号进行放大，放大电路的设计较为简单，为了便于对输出信号的功率控制使用了可控增益放大器，易于数字控制增益的大小；又因为输出信号的最大功率要达到+18 dBm且信号频率最高达5 MHz，普通的运放难以达到要求，故使用射频放大器来提升信号的输出功率。AD7008所产生的信号直接由器件内部的DAC输出，内部不含低通滤波器，故要对其输出信号进行滤波处理。
2．2 幅度相位检测电路的设计
介绍用幅度相位检测芯片AD8302来检测被测网络的幅度和相位，及其信号调理电路，以及模拟／数字转换电路和相位的极性判断电路。由于增益相位检测器AD8302要求被检测的两路信号功率在-60～0dBm范围内，为防止损坏器件，需对两路信号进行功率调整，本系统使用了易于数字控制增益的可控增益放大器AD8369和对数放大器AD8307构成一个反馈系统进行自动调整。对数放大器AD8307可以对信号的幅度进行检测，通过被检测到的幅度范围，系统调整可控增益放大器AD8369的放大倍数，使增益相位检测器AD8302能够有效地对被测网络的增益和相位进行检测。将模拟增益和相位检测结果转化为数字量的方法是采用ADC，由于检测结果是个慢变信号，因此对ADC的速度要求较低，本系统中具有3路模拟量要转化为数字量，因此选用了多通道模数转换器件——ADS8364。幅度相位检测电路的硬件设计方案如图3所示。

另外，由于AD8302检测的相位是0～180°之间，不能给出相位是超前还是滞后，所以需要相位极性判断电路对相位进行判断，其电路主要由分频器电路、施密特触发器、D触发器等组成。
2．3 数据处理及控制电路设计
数据处理及控制单元主要完成通信、数据处理、功能控制等工作。主要由TMS320VC5409、晶体振荡器、电源控制、WATCHDOG和CPLD等器件组成。