基于单片机和FPGA的扫频仪设计

一个网络的频率特性包括幅频特性和相频特性，在系统设计时，各个网络的频率特性对该系统的稳定性、工作频带、传输特性等都具有重要影响。实际操作中，扫频仪大大简化了测量操作，提高了工作效率，达到了测量过程快速、直观、准确、方便的目的，在生产、科研、教学上得到广泛运用。本设计采用数字频率合成技术产生扫频信号，以单片机和FPGA为控制核心，通过A／D和D／A转换器等接口电路，实现扫频信号频率的步进调整、数字显示及被测网络幅频特性与相频特性参数的显示。

1 系统总体方案及设计框图
1．1 系统总体方案
将输出频率步进可调的正弦扫频信号源作为被测网络的激励Vi，可得被测网络的响应为V0。通过测量各频率点的幅度就可得到V0和Vi的有效值，两者之比就是该点的幅度频率响应；对V0和Vi进行过零比较、整形，再送到FPGA测量相位差，即可得到相频特性。
设激励信号Vi=x(n)=Acos(ω0n+f)，稳态输出信号V0=y(n)。利用三角恒等式，可将输入表示为两个复指数函数之和：，式中，。对于输入为，线性时不变系统稳态输出为。根据线性性质可知，输入g(n)的响应v(n)为：。同理，输入g*(n)的输出v*(n)是v(n)的复共轭。于是得到输出y(n)的表达式：

因此。输出信号和输入信号是频率相同的正弦波，仅有2点不同：1)振幅被加权，即网络系统在ω=ω0的幅度函数值；2)输出信号的相位相当于输入有一个q(ω0)时延，即网络系统在ω=ω0的相位值。该方案幅度和相位测量的控制都通过FPGA实现，能够使测量结果精确。
1．2 系统总体设计框图
系统通过键盘扫描得到外界设置的扫频范围和频率步进，通过调用DDS控模块控制DAC904，输出扫频信号。由于信号在被测网络阻带内会有很大的衰减，故用程控放大处理经被测网络的扫频信号之后，利用AD637进行有效值采样，LM311进行整形。信号有效值经MAXl270进行AD转换后得到有效值的数字量，整形后的信号经测相模块处理得到相位差值。在FPGA中写入2个RAM存放被测信号的有效值和相位差值。完成一次扫频后通过波形显示模块将幅频、相频曲线显示在示波器上，并将特定频率点的幅度和相位差值在液晶显示器上进行显示。系统实现框图如图1所示。

2 系统功能部分设计
2．1 扫频信号的产生
直接数字合成(DDFS)信号源。它是一种完全数字化的方法：先将一个周期的正弦波(或者其他波形)的离散样点幅值的数字量预先存储于ROM或者RAM中，按一定的地址增量间隔读出，经D／A转换后成为不同频率的模拟正弦波信号波形，再经低通滤掉毛刺即可得到所需频率的输入信号。按此原理，DDS可以合成任意波形，且可以精确控制相位，频率也非常稳定。利用FPGA制作起来相当容易，且扫频步进实现简单。设FPGA内部的参考频率源的频率为fclk，采用计数容量为2N的相位累加器(N为相位累加器的位数)，频率控制字为M，则DDS系统输出信号的频率fout=fclk／2N×M。频率分辨率为：△f=fclk／2N。