矢量网络分析仪4.0.doc

1、宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）. 宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）I摘要本课题设计了一个基于 AD9854 和 STM32F103 的矢量网络分析仪，该仪器用于测量二端口线性非时变网络的频率特性，包括幅频特性和相频特性。采用直接数字合成(DDS) 芯片产生精确的信号源作为被测网络的输入，避免了采用压控振荡器(VCO)和锁相环 (PLL)难以控制、精度不高的缺点；本仪器能测量的频率特性范围 1Hz-120MHz，动态范围 60dB，相频特性测量的分辨力为 0.01 度。另外还可进行测量中的误差校正，非线性自动补偿等功能。并编写了用于 PC 端的应用软件，能直观地显示被测网络的幅频、

2、相频特性曲线，能够定量观察幅度增益、相位差和频率值的大小；采用简单明了的控制面板，提高了人机界面的友好度，经实践，系统工作稳定，符合要求。关键词：网络分析，矢量网络分析仪，DDS，STM32F103，AD9854 AbstractA design and implementation of an intelligent vector network analyzer is described in the 宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）IIpaper，which is designed for the measurement of the amplitude-frequency cha

3、racteristic and phase-frequency characteristic of the linear, time-invariant, two port network. Using the advanced DDS technology，a complete digitally programmable frequency synthesizer is formed. Compared with the traditional one, the VCO and PLL, it is more accurate and easier to control. Frequenc

4、y sweep from 1Hz to 120MHz , dynamic range 60dB, and phase-frequency measurement resolution up to 0.01 degree. The PC software displays the amplitude-frequency chart and phase-frequency chart clearly and directly; Simple and straightforward control panel provide a friendly interface between user and

5、 the instrument.Keywords：vector network analyzer，DDS，STM32F103，AD9854目 录宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）III摘要 IAbstractII第 1 章 绪 论 11.1 历史及应用背景 .11.2 国内外矢量网络分析仪的现状 .11.3 研究矢量网络分析仪的目的和意义 .21.4 本课题介绍 2第 2 章 网络分析仪及其技术概览 42.1 网络分析基本概念 42.1.1 网络分析概述 .42.1.2 微波网络 S 参数 .52.2 网络分析系统 62.2.1 标量网络分析仪 .72.2.2 矢量网络分析仪 .8第 3

6、章 矢量网络分析仪硬件设计 93.1 总体方案设计 .93.2 微控制器接口电路设计 .93.3 跟踪信号源 .93.3.1 直接数字频率合成(DDS) 技术 103.3.2 跟踪信号源的设计 .113.4 幅度/相位检测电路 133.5 模数转换电路 .153.6 Switch 电路设计 16第 4 章 矢量网络分析仪软件设计 174.1 PC 机应用软件设计 174.1.1 VB 程序界面设计 174.1.2 通信协议 184.2 下位机软件设计 .20第 5 章 系统调试 245.1 模块电源调试 245.2 跟踪信号源调试 245.3 数据采集模块调试 245.4 系统连调 24第六章

7、 结论 25参考文献 26致谢 27附录一 STM32 核心电路图 .28附录二 信号源电路图 29宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）1第 1 章 绪 论1.1 历史及应用背景在无线电测量中，经常需要测量设备或网络的阻抗和传输特性，这里所说的传输特性，主要是指：增益和衰减、幅频特性、相位特性和时延特性。早期的频率信号源主要靠机械方式实现频率调节，即通过机械开关改变振荡部分的谐振回路来实现。这种机械式频率调谐信号源都是按照“点频” 方式工作，也就是每次只能输出单一频率的连续波信号，改方法即为“点频测量” ：测量元器件在一定频率范围内的传输特性时，必须将信号源的频率依次调谐到指定频点上，并分别

8、测量各点上的参数之后，才能将各点数据连成完整曲线。点频测量方法很简单，但它存在明显的缺陷：首先，点频测量所得的频率特性是静态的，无法反映信号的连续变化。当涉及的频带较宽、频点较多时，这种测量法显然极其繁琐、费时、工作效率低。同时，测量频点选择的疏密程度不同对测量结果有很大的影响，特别是对于某些特性曲线的锐变部分以及个别失常点，很可能由于测量频率点选取不到或不足而使得测量结果不能反映真实结果。基于上述原因，出现了扫频测量，将间断的点频测量改为连续的扫频测量，经过连续不断地频率扫描便可显示并记录系统及器件在整个频带内的传输特性曲线，大大提高了工作效率和测试质量。网络分析仪就是在扫频测量技术的基础上

9、发展起来的智能化仪器。矢量网络分析仪是全面测量网络参数的一种智能仪器，与标量网络分析仪不同的是它既可测量网络的幅频特性又可测量网络的相频特性。按照测量的频率范围可以分为低频网络分析仪、高频网络分析仪和微波、射频分析仪。不同频率范围的网络分析仪所测量的网络参数也不同。低频和高频网络分析仪主要用于测量线性非时变网络的频率特性，包括幅频特性和相频特性。微波、射频分析仪主要用于测量线性与非线性网络的特性，例如 S 参数，传输和反射信号的幅度、相位和群延迟，微波元件的绝对输入和输出功率。1.2 国内外矢量网络分析仪的现状矢量网络分析仪目前主要有分体式和一体化矢量网络分析仪两个基本形式。分体式矢量网络分析

10、仪采用组合式结构，一个最基本测试系统需要四个重要组成部分，按信号走向依次为激励信号源、S 参数测试装置、高灵敏度幅相接收机和校准件。其主要优点是在组成测试系统方面具有较大灵活性。一体化矢量网络分析仪是激励信号源、幅相接受机等部分的有机组合。国外分体式矢量网络分析仪研制生产厂家主要有美国 Agilent 公司和 Wiltron公司。1985 年，Agilent(HP) 公司推出 HP8510A 微波矢量网络分析仪，同轴测量频率范围：45MHz26.5GHz。1989 年，同轴 S 参数测量系统上限频率扩展到40GHz。1990 年，毫米波波导反射月专输测试装置工作频段扩展至 110GHz。199

11、1年，Agilent 公司推出第三代矢量网络分析仪 HP8510C，同轴+A9 量系统频率范围扩展至 50GHz，Wiltron 公司于 1987 年推出 Wiltron360 微波矢量网络分析仪，1991年推出了 Wiltron360B，功能和技术指标均和 HP8510C 相当。近些年来，矢量网络分析仪的发展很快，性能指标不断提高。目前市场上高频和射频的矢最网络分析仪主要是美国 Agilent 公司的一系列产品：如 HP3589A，其频率特性范围 10Hz150MHz；微波分析仪 Agilent8720 系列覆盖从 50MHz 到宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）213.5、20 或 4

12、0GHz 的频率； S 参数型(Agilent8719ES， 8720ET 和 8722ES)和传输/反射型(Agilent8719ET， 8720ET 和 8722ET)将一个快速合成信号源与综合测试装置结合在一起，它们能对传输和反射信号的幅度、相位和群延迟进行快速、精确的测量，能测量微波元件的绝对输入和输出功率；射频分析仪 Agilent8753ET 和8753ES 系列覆盖 3 或 6GHz 的频率范围，可以提供频率和功率扫描，适用于表征有源和无源网络、器件、元件和子系统的线性和非线性特性。另外值得一提的是Agilent4395A 是网络/频谱/阻抗分析仪，10Hz500MHz，同时包括

13、了网络分析仪和频谱分析仪。Wiltron 公司推出的 Wiltron37200 系列一体化矢量网络分析仪，与Agilent8720 系列在功能和技术指标上相当。国内 41 所成功研制的 AV3615 分体式矢量网络分析仪，测量频率范围：45MHz26.5GHz。矢量网络分析仪属于台式仪器中性能最高和价位亦高的仪器,能够生产矢量网络分析仪的仪器公司也屈指可数, 产品种类齐全的实际上只有两家, 可见矢量网络分析仪的生产确有相当难度。网络特性测量又是电路设计不可缺少的参数, 晶体管往往用不同的四端网络等效参数来代表, 早期采用阻抗参数, 例如至今仍然通用的是输入阻抗和输出阻抗, 接着又有纳导参数、混

14、合参数, 后来最通用的是参数, 现在矢量网络分析仪都有参数的测量能力。1.3 研究矢量网络分析仪的目的和意义根据电路理论, 任何复杂的电路都可用四端网络来代表, 根据网络参数特性可求得该电路的增益、相位的频率变化特性, 因而, 矢量网络分析仪测量的是幅度和相位, 而标量网络分析仪只测量幅值。阻抗特性由矢量网络分析仪测量, 频谱特性由频谱分析仪, 网络分析仪和频谱分析仪是电子元件至系统, 从设计、生产至维修都不可缺少的测量仪器。因此，开发出高性价比的矢量网络信号分析仪，保持与国外同类产品在性价比的优势，打破国外技术垄断和封锁，对发展我国电子产业有非常重大的意义，加紧对这类产品的研制显示得非常紧迫

15、，在本设计中采用了直接数字频率合成技术并且采用了单片宽频带相位差测量芯片等新型技术，与基于超外差系统的矢量网络分析仪相比，节省了大量器件和 PCB 面积，减小了系统体积，提高了整机性价比。1.4 本课题介绍本仪器是一种智能化的测量仪器，具体体现在：采用低功耗 32 位 ST 公司 Cortex-M3 内核 ARM 微控制器 STM32F103 进行控制，能对测量的数据进行处理；采用直接数字合成(DDS)芯片产生精确的信号源作为被测网络的输入，避免了采用压控振荡器(VCO) 和锁相环(PLL)难以控制、精度不高的缺点；并编写了用于PC 端的应用软件，能直观地显示被测网络的幅频、相频特性曲线，能够

16、定量观察幅度增益、相位差和频率值的大小；另外还可进行测量中的误差校正，非线性自动补偿等功能。本论文的工作是掌握网络分析相关理论，设计出矢量网络分析整机系统。为了保证系统设计的可行性和测量的精度，在方案论证阶段，利用各种仿真软件对各个测量模块进行功能仿真和验证。利用 Cadence Allegro 软件对低通和带通滤波器、整型电路、阻容网络的频率特性进行仿真，从而保证了整个系统设计的可行性和测量的精度。该矢量网络分析仪用于测量双端口线性非时变网络的频率特性，包括传输和反射信号幅频和相频特性。具体指标如下：宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）3频率输出范围： 1Hz 到 120MHz频率分辨力：

17、 1mHz幅度测量： -62dbm-2dbm(50 负载阻抗) 幅度/相位精确度： 0.5dB/1幅度/相位分辨力： 0.01dB/0.01输出功率： 大于 0dbm输出阻抗： 50宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）4第 2 章 网络分析仪及其技术概览2.1 网络分析基本概念2.1.1 网络分析概述这里所说的网络，并不是指通常大家所熟知的计算机网络，而是对实际物理电路和元件的一种数学抽象，用来研究外部特性：系统中元件的作用可以通过对它激励信号的传输及反射特性来表征。即当网络输入、输出端电参量之间的相互关系已知时，元件的特性也就因此完全确定。网络分析就是通过扫频测量精确获知元件的幅频特性和相

18、频特性的方法。频谱测量所表征的是电路单元中存在的信号特性，而网络测量所表征的则是电路单元组成的系统特性。例如，对一个滤波器输出的相位噪声或寄生频率分量，可以用频谱仪来测量、而要了解个滤波环路的传递特性，就要使用网络分析仪进行测量了。1.线性网络与非线性网络在考虑非线性引起的失真时，常常会发现纯粹的线性网络仍可能导致信号的畸变。线性网络的确能够改变信号频谱分量的幅度和相位关系，从而使时域波形发生变化，但这和非线性失真是有区别的：线性网络或系统仅改变输入信号的幅度和(或) 相位值，不会产生新的信号；而有源和无源非线性器件则会改变输人信号的频率，或者产生其他频率成分。如图 2-1 所示，当放大器过载

19、时输出信号会因为饱和而被“削顶 ”，而且不再是纯正弦波，还会出现频率数倍于输人信号的谐波分量。F r e q u e n c y F r e q u e n c y图 1-1 非线性失真如果通过网络传输的信号没有产生失真，DUT 的幅频响应特性曲线应该是平坦的，相频响应曲线应在整个带宽内呈线性。如果输出波形有任何畸变，变化的程度取决于幅度和相位的非线性。网络分析总是假定被分析电路或网络是线性的，因而可以基于扫颜正弦测量方法进行频率特性的定量分析。对于非线性网络，通常使用频谱分析仪来测量。2. 网络分析参数网络分析常用信道 R 进行入射波测量，信道 A 测量反射波，信道 B 测量传输波。通过比值

20、测量，我们可以获得相对/传输参数：反射参数由 A/R 得到，传输参数由 B/R 得到。入射、反射和传输波形都同时具有幅度和相位信息，因此可以对DUT 的反射和传输特性进行定量分析。反射、传输参数可以表达为矢量（同时包含幅度和相位信息） 、标量（仅包含幅度信息）或仅含相位信息的形式。入射波与反射波的关系用反射系数 代表，并可用下式加以表示，即=反射波振幅/入射波振幅或宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）5（2.1）oLZ回波损耗（Ruturn Loss，简称 RL）是反射系数的对数表征形式，单位为 dB。对于特征阻抗为 的传输线，在终接匹配负载时没有发生发射；当负载阻抗oZ时，会因为失配而产生

21、反射。传输线路上所形成的电压最大值 与最小oLZ maxV值 之比称为电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio，简称 VSWR） ，一般仅minV称为 SWR。驻波比具有以下关系： minax/VSWR又可表示为：（2.2）1显然地，当无反射时， ，当全反射时 。SRSR2.1.2 微波网络 S 参数在低频中，一般用阻抗 Z 参数或导纳 Y 参数来表述网络特性，这些参数的定义都是基于电压、电流的概念，测量时需要在特定的端口条件下（如开路、短路）测出对应的电压和电流，由此确定各参数，而在高频中，很难测量器件端口的电压和电流。由于探头自身阻抗不能简单的通过连接电压表或者电

22、流表探头进行精确测量，同时很难在期望的位置放置探头。并且动态器件可能因为连接探头短路和开路而震荡或损坏。由此必须找到一种方法适合微波测量。I n c i d e n tT r a n s m i t t e dT r a n s m i t t e dI n c i d e n tR e f l e c t e dR e f l e c t e dP o r t 1 P o r t 2S2 1S1 1S2 2S1 2a1b1b2a2D U T图 2-2 微波网络 S 参数微波网络常用散射参数（S 参数）表示。任何网络都可用多个 S 参数表征其端口特性，对 n 端口网络需要 n2 个 S 参数。

23、如图 2-2 所示，DUT 称为被测器件（Device Under Test） ，外部带箭头用来表示 DUT 端口信号流向。当入射波 a1 进入端口 1 时其中有一部分由于端口失配而反射回来，大小为 S11a1；a 1 其余部分经网络传输到端口 2 上成为出射波，大小为 S21a1。同样，若有入射波 a2 进入端口 2，其中一部分也会因为失配反射回来，大小为 S22a2；a 2 其余部分经网络传输到端口1 成为出射波，大小为 S12a2。因此用 b1、b 2 分别表示端口 1 和端口 2 上所有出射波，有宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）6（2.3）212aSb式（2.3）中的 S11、S

24、 12、 S21、S 22 即为双端口网络的四个 S 参数，被称为散射参量，因此式（2.3）也被称为散射方程组。S 参数的两个数字下标中，第一个代表波出射端口，第二个代表波入射端口。则 S11 是端口 2 匹配时端口 1 的反射系数；则 S22 是端口 1 匹配时端口 2 的反射系数；S 21 是端口 2 匹配时的正向传输系数； S12 是端口 1 匹配时的反向传输系数。所有 S 参数同时包含幅度和相位信息。由 S 参数可以推导出其他网络参数，如电压驻波比、反射系数、阻抗、回报损耗等反射参数，以及增益、衰减、传输系数、相移。群时延等传输参数。各表达式如下：1.反射参数：电压驻波比： 或1SVW

25、R21SVR反射系数：端口 1 ；端口 2 阻抗：端口 1 ；端口 2 10SZjX201SZ回波损耗：端口 1 ；端口 2 1lg2RL2lgRL2.传输参数：增益： 21lg0SG衰减： 2121llA传输系数：正向 ；反向ST12ST传输相移：正向 ；反向21arctn12arctn群延时： （ 为角频率）d2.2 网络分析系统网络传输特性的测量是电路与系统设计最重要的工具之一。线性网络的频率特性测量应使用网络分析仪(Network Analyzer，简称 NA)实现。网络分析仪能够完成反射、传输两种基本测量，从而确定几乎所有的网络特性，散射参数是其中最基本的特性。现代网络分析仪，尤其是

26、高频或微波网络分析仪，均以测量 S 参数为基础，这是因为 S 参量的测量是以网络分析仪的特性阻抗 Zo 为参考的，较易获取宽带标推负载，所以在高额段上 S 参量比其他参数更易于测量；而且由于所有参量都包含有关网络的相同信息，故任何一组参量总可以利用已测得的 S 参量计算出来。它的宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）7出现替代了过去模拟测量滤波器、放大器的方法，使测量工作变得更为自动化和精确。网络分析仪最常见的应用时进行双端口网络散射矩阵（S 矩阵）测量，如图 2-1-2 所示。基本的网络分析仪主要由信号源、S 参量测量装置及矢量电压表组成。通过信号源在端口 1 上对被测器件 DUT 进行激励

27、（入射波为 ）1aF gZ gD U TZ L21211aSba2b2图 2-1-1 S 散射矩阵测量信号源：向被测网络提供入射信号或激励；S 参量测量装置：实际上是反射测量电路与传输测量电路的组合，首先将入射、反射及传输信号分离开，然后通过转换开关分别进行测量；矢量电压表：测量入射、反射和传输信号的幅值及它们之间的相位差。也可以通过幅相接收机实现此功能。12二 二 二 二R二 二 二 二 T二 二 二S 二 二二 二 二 二二 二 二 二 二二 二 二 二图 2-1-2 矢量网络分析系统常见的网络分析仪分为标量网络分析仪和矢量网络分析仪两种。2.2.1 标量网络分析仪标量网络分析仪是使用二极

28、管检波器测量输入/输出 DUT 的信号的最简单、最经济的途径。由于检波器无法获得相位信息，因此只能测得 S 参数的幅值，故名标量网络分析仪。其实对很多应用场合，仅有幅度值已经足够了。图 2-2-1 所示为一个标量网络分析仪的系统框图，图中入射波为 ，反射波为1a，传输波为 ，它们的测量通道分别为 R(参考)、A、B。通过这些信号可以确定1b2b正向 S 参数 、 。再将被测网络的激励端与测试端反接，同理可测得 、1S 21S。12宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）8D U T二 二 二 二 二二 二 二 21a21bABR二二二二二二 二 二 二 二 二图 2-2-1 标量网络分析仪系统框

29、图2.2.2 矢量网络分析仪能够测量复 S 参数的仪器就是矢量网络分析仪。如图 2-2-2 所示的是一种超外差式矢量网络分析仪组成框图。图中 PFD 为相频检波器（Phase Frequency Detector） ，H(s) 为环形滤波器（Loop Filter） 。BPF 为带通滤波器（Band Pass Filter） 。它描述了这类网络分析仪的基本结构，实际上它实际上与超外差接收机非常类似。为了给出相位测量提供参考信号，信号源使用锁相环输出的本振来激励 DUT，该本振信号还同时用于频率变换中。参考信号即入射波，通过 R 通道进行测量；反射波、传输波所在的测试通道分别为 A、B；扫频源一

30、方面为 DUT 提供激励，一方面可以作为单独的扫频源输出通道 S。为获得复 S 参数而进行的复数除法可以用硬件完成，但现在更多是采用对混频所得的中频信号采样和数字化，然后通过数字处理的方法实现。扫 频 源L OH ( s ) P F D参 考 频 率 源B P FD U TB P FB P F采样及量化处理及显示二 二 二 二 二 S二 二 二 二 二 二 A二 二 二 二 二 二 B二 二 二 二 R图 2-2-2 矢量网络分析仪系统框图宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）9第 3 章 矢量网络分析仪硬件设计3.1 总体方案设计本系统主要由微控制器、跟踪信号源、多通道模数转换器、幅度/相位

31、检测等四个部分组成，其系统框图如图 3-1-1 所示。M C U跟踪信号源M u l t i - C h a n n e lA D CMag DetectorPhs DetectorAD8302Mag DetectorPhs DetectorAD8302P O R T 1O U TI NLPFAD9854 LNAMCU参 考 时 钟LPF LNAS w i t c hP O R T 2S w i t c h接上位机图 3-1-1 矢量网络分析仪总体框图图 3-1-1 为矢量网络分析仪总体框图，上位机在发出扫频指令后，微控制接收来自 PC 端口的命令，控制跟踪信号源产生扫频控制信号，控制标准正弦

32、信号的频率，频率范围为：1Hz100MHz。信号输出端 PORT1 与 PORT2 过同轴电缆与被测器件（DUT ）连接，同时在 Switch 的作用下一对 AD8302 分别对反向传输特性参数 S12 和正向传输特性参数 S21 的幅度和相位进行测量，通过多通道 ADC 采样后送至 MCU 处理后，上传到 PC 端显示。3.2 微控制器接口电路设计本设计选用的是基于突破性的 ARM Cortex-M3 内核的 STM32 系列 32 位单时钟指令周期闪存微控制器，在主时钟 72MHz，指令速度可达到 90DMIPS。这是一款专为嵌入式应用而开发的内核。STM32 系列产品得益于 Cortex

33、-M3 在架构上进行的多项改进，包括提升性能的同时又提高了代码密度的 Thumb-2 指令集，大幅度提高了中断响应，而且所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。它提供了一个完整的 32 位产品系列，在结合了高性能、低功耗和低电压特性的同时保持了高度的集成性能和简易的开发特性。非常适合电池供电设计，能够满足低成本低功耗高可靠多外设等要求，而且 32 位 ARM 软件开发具有开放性和扩展性的特点。在本设计中微控制器选用具有 512KB Flash 存储器，64KB SRAM 的STM32F103ZET6，采用 8MHz 无源晶体振荡器作为外部时钟输入，内部时钟锁相环 9 倍频，因此主时钟为 72M

34、Hz，电路图见附录一。3.3 跟踪信号源在无线电测量中，经常需要测量设备或网络的频率特性，矢量网络分析仪用于测量二端口线性非时变网络的频率特性，包括幅频响应和相频响应。频率特性测量的关键是产生频率步进的信号源，该信号源的频率、幅度及相位应能精确测定。以往的跟踪信号源大多是基于压控振荡器(VCO)、函数发生器及锁相环(PLL)技术。这些技术存在转换频率时间长、频率精度不高、硬件耗费比较大等问题。随着超大宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）10相位累加器波形存储器D/A转换器低通滤波器 FoutPhasefclk规模集成电路的迅速发展，由单片微处理机和直接数字频率合成(DDS)芯片为核心构成的

35、DDS 跟踪信号源应运而生。与其它频率合成方法相比， DDS 技术的主要优点是：分辨率高；频率转换速度快；频率切换时相位保持连续；合成频率准确；全数字化控制；可与微处理器接口。DDS 对信号质量的改善在于其系统的相位噪声主要取决于参考时钟振荡器，基本不受系统其他部分的影响。现在，DDS 技术已经广泛应用于本振、信号发生器、仪器、通信、雷达等系统。因此采用 DDS 芯片作为矢量网络测量系统中的频率合成器，必将大大提高整个系统的性能，成为理想的选择。3.3.1 直接数字频率合成(DDS) 技术直接数字频率合成 DDS (Direct Digital Synthesis)，是一种新颖的频率合成技术。

36、其基本结构如图 3-3-1 所示。图 3-3-1 直接数字频率合成基本结构这种技术的实现依赖于高速数字电路的产生，目前，其工作速度主要受 DDS变换器的限制。DDS 技术就是利用正弦信号的相位与时间呈线性关系的特性，通过查表的方式得到信号的瞬时幅值，从而实现频率合成。为了输出一定频率的信号，在每一个时钟周期中，存储在频率/相位字寄存器中的相位增量值 被送到相Phase位累加器中，输出的结果送入正弦、余弦函数表中， 通过查询将相位信息转换为对应的正弦幅度值， 产生数字化正弦信号。相位增量值 与输出信号频率fout 和 参考时钟频率之间的关系为：clk clkNoutffPhase)2(（3.1）

37、10式中，N 是相位累加器的字长。由公式（3.1）知，相位增量值 与输出信号Phase频率 成正比。outf由取样定理，DDS 所产生的信号频率不能超过时钟频率的一半，在实际运用中，为了保证信号的输出质量，输出频率不要高于时钟频率的 33%，以避免混叠或谐波落入有用输出频带内。跟踪信号源频率分辨率 直接取决于 DDS 的频率分辨率setpf，计算公式如下f（3.2）Nclkf2（3.3）Mfsetp11宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）113.3.2 跟踪信号源的设计矢量网络分析仪用来测量二端口线性时不变网络的频率特性。频率特性是一个网络对一系列正弦输入信号的响应特性。被测网络输入幅度为

38、，角频率为 的iA正弦信号，对于线性时不变网络，其稳态输出也是正弦信号，幅度为 ，角频率o为 ，相角差为 。改变 的大小，可以得到一系列的输入和输出数据，其中，o幅频特性 和相频特性 统称为频率特性。网络分析仪中的跟踪信号源为被)(A)(测网络提供激励，根据测量要求，需产生一系列频率精度高、转换速度快、步进小、相位可控、频率转换时相位保持连续的正弦波。本设计扫频范围为 10Hz120MHz，采用美国 AD 公司的 DDS 芯片 AD9854，用微控制器作控制器，实现频率的合成与控制。AD9854 数字合成器是高集成度的器件，它采用先进的 DDS 技术。AD9854 的 DDS 核具有 48 位

39、的频率分辨率（在300M 系统时钟下，频率分辨率可达 1uHz） 。输出 17 位相位截断保证了良好的无杂散动态范围指标。器件有两个 14 位相位寄存器和一个用作 BPSK 操作的引脚。具有改进 DDS 结构的 12 位 I 和 Q 通道 D/A 转换器可以提供较大的带宽并有较好的窄带无杂散动态范围（SFDR） 。300M 系统时钟通过配置内部锁相环为 20X，由较低的外部 15.000MHz 有源晶振得到。采用单片微处理机对 DDS 进行控制，构成跟踪信号源的电路非常简捷，其电路方框图见图 3-3-2（电路图见附录二） 。L P FA D 9 8 5 4 L N AM C U参 考 时 钟图

40、 3-3-2 扫频信号源系统框图该电路由微控制器、DDS、参考时钟、低通滤波器 (LPF)和宽带放大电路组成。低通滤波器是跟踪信号源中的关键部分，负责滤除输出信号中所含有的高频杂散信号和谐波信号，输出纯净的正弦波。DDS 的输出杂散有三个主要来源： N 比特相位累加器只输出高 M 位对 ROM 进行寻址；ROM 存储的幅值编码仅为有限位；DAC 的有限分辨率和非线性特性；DDS 的输出包括基本脉冲谐波谱，出现在下列位置：（3.4）outclkfKL3,21本设计中，最高频率输出是 120MHz，采用了 300MHz 的参考时钟，使谐波信号频率远离输出信号频率，减小对低通滤波器的要求。这里设计了

41、一个 9 阶椭圆低通滤波器，取得了较好的效果，电路图如图 3-3-3。仿真结果见图 3-3-4 与 3-4-5宽带放大器选用低噪声运放，对 DDS 输出的信号进行放大，以达到跟踪信号源的要求。AD9854 是超大规模 CMOS 器件，对时钟信号的质量要求比较高，时钟信号波形应良好，时钟信号用地线屏蔽；要考虑良好的去耦电路。模拟电源引脚选用一宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）12片 1uF 和一片 0.01uF 的 MLCC 并联作为退耦电容，数字电源选用一片 0.1uF 的MLCC，并且尽可能靠近器件均用磁珠连接。注意良好接地，模拟地、数字地分开，利用磁珠隔离。选用 ST 公司生产的低功耗

42、处理器 STM32F103ZET6 对 DDS 的逻辑和输出信号进行实时控制。 2.nFC1680pFC230pFC382pFC4L130.97nHL297.1nHL3182.nHL4347.nH56pFC120pFC6180pFC730pFC830pFC9VP1R250R150图 3-3-3 120MHz 9th 椭圆滤波器原理图图 3-3-4 120MHz 椭圆滤波器仿真图（一）宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）13图 3-3-5 120MHz 椭圆滤波器仿真图（二）由图中可以看出滤波器的通频带为，插入耗损约为-1.7dB，阻带衰减大于-40dB。3.4 幅度/相位检测电路在这部分电路

43、中，选用了 ADI 公司的 AD8302 的首款 RF/IF 幅度和相位测量的单片集成电路，它能同时测量从低频到 2.7GHz 频率范围内两输入信号之间的幅度比和相位差。该器件将精密匹配的两个对数检波器集成在一块芯片上，因而可将误差源及相关温度漂移减小到最低限度。该器件在进行幅度测量时，其动态范围可扩展到 60dB，而相位测量范围则可达 180 度。AD8302 具有以下主要特点： 可在低频到 2.7GHz 频率范围内测量幅度和相位； 对于 50 的测量系统，其输入范围为-62dBm-2dBm； 精确幅度测量比例系数为 30mV/dB，精确典型值小于 0.5dB； 精确相位测量比例系数为 10

44、mV/度，精确典型值小于 1 度； 该器件在操作时，具有测量、控制和电平比较三种工作方式； 带有稳定的 1.8V 基准电压偏置输出； 视频带宽响应为 30MHz； 采用 2.75.5V 单电源工作；图 3-4-1 所示是 AD8302 的功能结构框图。它主要由精密匹配的两个宽带对数检波器、一个相位检波器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器组成。宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）14图 3-4-1 AD8302 结构框图AD8302 的幅度和相位测量原理主要基于对数放大器的对数压缩功能，其一般数学表达式为：、（3.5）)/log(ZINSLPOUTVV其中， 为输入电压， 为

45、截距， 为斜率。INVZAD8302 正是利用上述对数放大器的对数压缩原理，并通过精密匹配的两个宽带对数检波器来实现对两输入通道信号的幅度和相位的测量，其幅度和相位测量方程式如下：（3.6）)/log(INBIASLPMAGVV（3.7）IIPH其中， 和 分别为 A、B 两通道的输入信号幅度， 为斜率， 为INAVIB SLPMAGV幅度比较输出， 为相位比较输出。PHSAD8302 幅度和相位测量芯片在操作时主要有测量、控制和电平比较三种工作方式，但其主要的功能是测量幅度和相位。当芯片输出管脚 和 直接跟芯MAGPHS片反馈设置输入管脚 MSET 和 PSET 相连时，芯片的测量模式将工作

46、在默认的斜率和中心点上( 精确幅度测量比例系数为 30mV/dB，精确相位测量比例系数为 10mV/度)。实际上，在测量模式下，电路的工作斜率和中心点是可以通过管脚 MSET 和 PSET 的分压来加以修改的。通常在低频条件下，对幅度和相位进行测量的方程式如下：（3.8）CPINBIASLPFMAGVIRV)/log(（3.9）IINPHS 90)(宜宾学院 2010 届毕业设计（论文）15在幅度测量方程中， 表的斜率为 30mV/dB，在中心点 900mV 处，其增SLPFIR益为 0dB，-30dB+30dB 的增益范围对应于 01.8V 的输出电压范围；而在相位测量方程中， 代表的斜率为

47、 10mV/度，中心点 900mV 所对应的相位为 90 度，IF0180 度的相位范围对应于 1.80V 的输出电压范围。由于 AD8302 将幅度和相位测量集中在一块芯片内，使得幅度和相位测量更加方便，由 AD8302 构成的幅度相位检测电路，如图 3-4-2 所示。其中正向传输参数幅度/ 相位测量单元的 J1 和 J2 SMA 连接器分别与被测器件的输入和输出端连接，反向参数幅度/相位测量单元的 J1 和 J2 分别与被测器件的输出和输入端连接，VMAG 和 VPHS 分别为幅度和相位测量输出， VREF 为参考电压输出。COMM1 COMM7INPA2 OFSA3VPOS4 OFSB5

48、INPB6 PFLT8VPHS 9PSET 10VREF11MSET 12VMAG 13MFLT 14U1AD8302 C810nFC310nFC710nFC410nFC510nFC610nFR149.9R249.9C910nF+ C110uFL1100uHR30C2100nFVCCVMAGVREFVPHSJ1SMAJ2SMA图 3-4-2 幅度相位检测电路原理图3.5 模数转换电路由于 AD8302 的相位测量为 10mV/度，为了达到分辨率 0.01，在 2.5V 参考电压下，必须选用 15 位以上的 ADC 才能满足性能要求，由于失调误差、增益误差、线性误差、噪声干扰和温度漂移等原因的影

49、响通常的 16 位 ADC 在实际并不能达到16 为有效分辨率，这里选用的 ADS1217 是一个 8 通道输入内置缓冲器和程控放大器以及 DAC 的 24 位 Delta-Sigma 模数转换器，工作范围从 2.7V5.25V，24 位无丢失码位数，22 位有效分辨率。由 ADS1217 组成的 A/D 转换电路如图 3-5-1 所示，模拟部分采用 5V 电源，数字部采用 3.3V 电源。使用内部 2.5V 基准源，将基准电压正参考输入端 VREF+与基准电压输出引脚 VREFOUT 相连，基准电压负参考输入端 VREF-与模拟地连接。VRCAP 通过 基准源滤波电容 C2 到地。ADS1217 的时钟源则通过外部一颗F1.02.4576MHz 的无源晶振与 XIN 和 XOUT 引脚连接，电容 C1、C7 为了确保晶振启振以及保持频率稳定。抑制数字部分噪声通过地平面影响模拟部分，这里将模拟部分与数字部分隔离，中间通过电感单点接地。为了确保 ADS1217 能达到最佳性能，确保系统稳定工作。该设计中采用下述方法减少干扰，避免自激，提高放大器