1、1简易频率特性测试仪设计报告2013 年全国电子设计大赛（E 题）怀化学院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
2、统具有低功耗，成本低廉，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3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 112、DDS 频率合成输出信号： .113、RLC 被测网络测试结果 .124、频谱特性测试 1
3、2八、总结 .12九、参考文献 .12十、附录 .134一、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。1、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）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，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.输入阻抗
4、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，要求具有
5、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。二、系统方案5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，所以不宜
6、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，宽带放大器应具有尽
7、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。6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)，=-ar
8、ctan(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 TLC2
9、543 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320240 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7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。下面先介绍
10、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。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
11、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) 能输出一般调制信号，FSK，BPSK，PSK，CHIRP，AM 等；3) 100MHz 时具有 80dB 的信噪比；4) 内部有 4到 20的可编程时钟倍频器；两个 48 位频率控制字寄存器，能够实现很高的频率分辨率。两个 14 位相位偏置寄存器，提供初始相位设置。5) 带有 100MHz 的 8 位并行数据传输口或 10MHz 的串行数据传输口。2、DDS 输出放大电路前端放大用宽带放大器 THS3001，放大 6.1 倍，为满足输入输出端阻抗匹配以及仪器输出阻抗要求，需要在输入、输出端接入 50
12、电阻，如图所示，两路信号均进入放大器。8图 4 THS3001 放大电路3、RLC 被测网络放大器输出余弦信号分为两路，一路进入待测网络，待测网络如图图 5 RLC 待测网络其中 R 约为 0，R o 为放大器输出阻抗 50 欧，R i 也为 50 欧，为后级电路的输入电阻。中心频率 f0=1/(2LC)，品质因数 Q=(1/R)(L/C)。经理论计算，L 取 3.51uH， C 取 18pF，实验得中心频率为 20.08MHz，最大增益为-0.48dB，满足题目要求。4、乘法器电路图 6 AD835 电路9采用高速模拟乘法器 AD835，其基本传递函数为 W=XY+Z。实验中将X2、Y 2、
13、Z 接地，即可实现乘法功能。由于频率较高，乘法器电源不仅需要电容去耦，还要加入磁珠，以抑制电源线上产生的高频干扰。同时需注意两路乘法器电路尽可能对称，避免其输入输出关系产生差异。5、AD 模数转换图 7 TLC2543 电路如图，为 TLC2543 AD 转换器连接图，其中 CH1 为信号输入端，CLK、 DATAIN、DATAOUT 、CS 与 MSP430 连接，通过串口传输数据，REF+连接至电源电压 Vcc，REF-连接至 GND。图 8 TLC2543 时序图图示为 MCU 对 TLC2543 的操作时序，在 CS 片选端为低电平的情况下，单片机提供 CLK 则 TLC2543 开始
14、工作，在连续十二个时钟期间，单片机写入10相应的控制字，控制单、双极性输出，MSB 或 LSB 前导等数据格式。与此同时，TLC2543 与时钟同步输出上一次的 12 位转换结果。六、软件方案本系统中共用到两片 MSP430F149，一片用作 DDS 主控端，通过与AD9854I/O 交互，实现题设要求 DDS 输出各个功能模块，并以液晶屏幕及键盘交互的模式提供友好的人机界面，为使用者提供稳定且便利的用户体验。另一片 MSP430F149 位于整个系统的后端，发挥数据处理以及结果显示的作用，通过对被测网络的测量结果分析，绘制出被测网络的幅频及相频特性曲线。另外，我们知道，扫频过程中，当前扫频频
15、率是数据处理的要素之一，因此 DDS 端 MSP430F149 在不断扫频时，通过串口通信协议实时告知数据处理端 MSP430F149 当前扫频频率，便于后者将获取的特性数据与对应频率一一对应，从而成功将被测网络特性曲线描绘至 TFT 屏幕。以下分别为 DDS 端 MSP430F149 与数据处理端 MSP430F149 软件流程图：图 9 DDS 主控流程图11图 10 MCU 显示流程图七、测试情况 1、测试仪器直流稳压稳流电源：型号 GPD3303DDS 合成信号发生器：型号 EE1461五位半数字万用表：型号 FLUKE8808A200M 数字存储示波器：型号 Tektronix TD
16、S2022B自制简易频谱特性测试仪（含 LCD 显示频谱特性）高性能射频一体化矢量网络分析仪：型号 AV3620A2、DDS 频率合成输出信号：频率(MHz) 1 5 10 15 20 25 30 35 40CH1(Vpp) 1.14 1.13 1.14 1.15 1.15 1.16 1.16 1.16 1.15CH2(Vpp) 1.15 1.14 1.15 1.16 1.15 1.17 1.16 1.18 1.17() 91.2 90.4 88.2 90.1 86.8 84.6 83.6 87.2 85.4表 1 DDS 输出信号测试数据基本满足题目要求。123、RLC 被测网络测试结果中心
17、频率 20.08M,有载最大增益为 -0.48dB，有载品质因数为 3.83，满足题目要求。4、频谱特性测试使用高性能矢量网络分析仪分析所准备的 RLC 待测网络，记录网络实际频率特性数据；再用自制频率特性仪测量相应数据，记录在同一张表中，分析频率特性测试仪性能。数据如下（Av、 为实际特性，Av、 为测量所得）f(MHz) 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25Av(dB) -10.12 -8.85 -6.57 -4.48 -2.03 -0.49 -2.16 -4.33 -6.21 -8.45 -9.87Av(dB) -9.7 -8.6 -6.3 -4.2 -1.9
18、 -0.9 -1.8 -4.1 -5.9 -8.2 -9.5() 61.2 54.8 42.0 31.7 18.3 1.7 -15.9 -26.5 -34.3 -44.1 -47.6 () 57.5 49.8 38.7 27.2 15.4 -0.3 -17.2 -28.9 -37.6 -48.3 -55.7表 2 频谱特性测试基本满足题目要求，幅频显示分辨率 0.1dB，相位显示分辨率 0.1，扫频步进 100kHz，并能显示出网络中心频率与-3dB 带宽，一次扫频时间30s。八、总结本频率特性测试仪以 DDS 合成器 AD9854 为正交扫频信号源，经过AD835 高速模拟乘法器进行运算，实现了利用双路正交信号对待测网络幅频、相频响应的测量。经过三个人四天三夜的团结合作，我们的简易频率特性测试仪终于实现了大部分功能，指标基本完成，深深感受到竞赛带给自己的收获，愿竞赛永远维持下去，给更多学子带来收获。九、参考文献1. MSP 430 单片机原理与应用实例详解（作者：洪利 章扬 李世宝）2. 电子技术基础（主编：康华光）3. 高频电子线路（主编：张肃文）4. 电子设计教程（主编：黄根春）13十、附录ADS9854 官方评估板原理图14
