基于单片机和FPGA的频率特性测试仪的设计

1 引言
频率特性是网络的性能最直观反映。频率特性测试仪是测量网络的幅频特性和相频特性，并显示相应曲线的一种快速、方便、动态、直观的测量仪器，可广泛应用于电子工程领域。
该测试仪以扫频外差为基本原理，并以单片机和FPGA构成的最小系统为控制核心，很好地完成对有源双T网络进行频率在100 Hz～100 kHz范围内的幅频响应和相频响应特性的测试，并实现在通用数字示波器上同时显示幅频和相频响应特性曲线。

2 系统设计方案
2．1 总体方案
该设计采用单片机和FPGA结合的方式。将输出频率可步进的正弦信号的扫描信号源作为被测网络的输入信号Vi，则被测网络的输出信号Vo为频率可步进的信号。通过测量各频率点的幅度就可得到Vo和Vi的有效值，两者之比就是该点的幅度频率响应；对Vo和Vi进行过零比较、整形，再送到FPGA测量相位差。 Vi的上升沿启动计数，Vo的上升沿停止计数，所得时间值与信号周期之比，就是该点的相位频率响应。此方案采用FPGA测量相位差，而且便于制作DDS扫描信号源。
2．2 扫频信号源设计方案
该设计采用直接数字合成(DDS)信号源。DDS信号源是由数字量控制的频率源，如图 1所示，其具体实现过程是：将输出波形一个完整周期的幅度值按相位步进顺序量化存储于双端口RAM中，按一定的地址间隔读出，经D／A转换成模拟信号，再经低通滤波器滤去D／A转换带来的小台阶和数字电路产生的毛刺，即可获得高精度、高纯度的正弦信号。理论上只要累加器的位数足够多，便可实现任意小的频率步进，且频率分辨率很高，十分接近于连续变化。通过预设相位累加器初值可很方便地实现精密相位调节。

2．3 幅度测量模块的方案
该模块采用集成真有效值变换器件。测量被测信号的真有效值，然后将其换算为幅值。即可实现对正弦波的幅值测量。该方案硬件、软件都很简单，而且精度高，效果理想。