摘要 基于直接數字頻率合成技術的思想，采用現代數字信號處理和顯示技術，設計了一臺低成本、數字化、智能化的頻率特性測試儀。實現了對20Hz～150MHz范圍內任意頻段的被測網絡幅頻特性和相頻特性測量。完成了數據存儲、-3曲帶寬計算、峰值查找等功能，幅度檢測精度達到1dBm，相位檢測精度1°等指標。
傳統掃頻儀的信號源大多采用LC電路構成的振蕩器，大量使用分立元器件來實現各功能，顯示部分采用傳統的掃描顯示器。因此傳統結構的掃頻儀不僅結構復雜、體積龐大、價格昂貴、操作復雜，而且由于各元件分散性大，參數變化容易受外部環境變化影響，精度不高。目前，以Agilent等為代表的儀器生產廠家提供了多種高性能的頻率特性測試儀。但其產品主要集中在射頻、微波等高頻領域，中低頻段的產品相對缺乏。本文基于直接數字頻率合成(DDS)的技術思想，采用DSP和FPGA架構的現代數字信號處理技術，設計了一臺低成本，高度數字化和智能化的頻率特性測試儀，實現了對20Hz～150MHz范圍內任意頻段的被測網絡幅頻特性和相頻特性測量和顯示，完成了數據存儲回放和傳輸，-3dB帶寬計算，峰值查找等功能。幅度檢測精度達到1dBm，相位檢測精度1°的指標。
1 系統組成
頻率特性分析儀主要包括控制和數據存儲處理單元、DDS信號源單元、幅度和相位檢測單元、數據采集單元、顯示及交互接口單元，系統總體框圖如圖1所示。
2 系統設計
2.1 控制與數據處理單元
ADSP—BF532和FPGA(EP1C3)是控制與數據存儲處理單元的核心。DSP通過PPI、SPI和PF接口與FPGA進行雙向數據通信，實現鍵盤讀取，DDS掃描，A/D采集，LCD掃描等功能，通過UART單元與計算機實現數據傳輸和遠程控制。FPGA完成了TFT_LCD和VGA同步顯示時序轉換、鍵盤掃描、SPI通信和信號分配等功能。另外，DSP通過EBIU單元連接AM29LV800和MT48L32M16分別作為程序與工作狀態存儲器和數據存儲與顯示緩存。工作原理如圖2所示。
2.2 數據采集單元
數據采集單元采用多路A/D轉換器將幅度和相位的模擬電壓信號轉換為數字信號供DSP和FPGA進行處理和傳輸，是模擬電路和數字電路之間的“橋梁”。本儀器中選用AD7655采集信號。該A/D轉換器具有4個模擬輸入通道，16位采樣精度，最高采樣率為1MHz。采用16位并行和SPI等傳輸模式。REF3125提供A/D轉換器所需的2.5V參考電壓。
2.3 DDS信號源單元
DDS技術是一種把一系列數字量形式的信號通過DAC轉換成模擬量形式信號的合成技術。DDS技術建立在采樣定理的基礎上，它首先對需要產生的波形進行采樣，將采樣值數字化后存入存儲器做為查找表，然后再通過查找表將數據讀出，經過D/A轉換器轉換成模擬量，把存入的波形重新合成出來。雖然DDS系統的結構有很多種，但其基本的電路原理，如圖3所示。
本儀器選用的DDS芯片AD9958是一款高性能雙通道直接數字頻率合成器，具有兩個獨立的DDS核，分別具有兩個獨立的32位頻率控制字和14位相位控制字，一個10位的幅度控制字。內部集成PLL，芯片最高工作頻率500MHz，輸出信號最高頻率可達180MHz。DSP通過SPI和PF接口經FPGA信號分配邏輯對AD9958進行頻率、相位和幅度控制字的配置，如圖4所示。
AD9958采用25MHz外部時鐘輸入，經內部PLL倍頻后產生500MHz內核工作時鐘。輸出信號為兩路同頻的正弦和余弦信號。為避免數字噪聲對信號產生干擾，芯片的3.3V數字供電與模擬供電部分需采用型網絡隔離，并對模擬地接小電阻到地平面以隔離干擾。由于芯片輸出為電流信號，需采用51Ω上拉到1.8V轉換為電壓信號，經LFCN—160集成濾波器濾除高頻噪聲，并采用差分運放AD8312抵消共模噪聲。輸出信號電平范圍為-10～-3 dBm。AD9958信號輸出原理如圖5所示。
2.4 輸出電平調節單元
本儀器設計的信號源輸出電平范圍為-87～13 dBm。而前級DDS信號源單元的輸出信號電平范圍為-10～-3 dBm，因此需要對前級信號進行電平調節。該單元的信號流圖如圖6所示。
本單元首先通過寬帶運放THS3201將前級信號電平放大到12～19 dBm。然后通過可控衰減網絡實現輸出-87～13 dBm范圍內的信號。通過控制接通不同的型電阻衰減網絡來實現，如圖5所示。可控衰減網絡由-8dB、-16dB、-32dB和-64dB這4種型電阻衰減網絡組成，通過68595驅動繼電器TQ2組合出不同衰減倍數的衰減網絡。
2.5 相位檢測單元
本儀器選用AD8302構建了相位差檢測電路。AD8302可對0～2.7 GHz，-60～0 dBm范圍內的兩輸入信號之間的幅度比和相位差進行精確測量，其中相位檢測精度可達1°。AD8302相位檢測曲線如圖7所示。
由圖7可知，使用單片的AD8032無法進行-180°～180°范圍內的監相。為實現-180°～180°監相，儀器采用I、Q正交檢測方法。即DDS信號源輸出兩路同頻正交信號，該正交信號分別通過兩片8302與待測信號分別進入兩片AD8302監相，則可得到兩條相位差為90°相位曲線，如圖8所示。由此實現-180°～180°范圍檢測。
2.6 幅度檢測單元
本儀器幅度檢測電路由對數放大器AD8310和濾波電容單元組成。AD8310可檢測0～440 MHz，-91～+4 dBV范圍信號的幅度值，其輸出公式為
其中，VOUT為檢波輸出；VY為斜率電壓；VIN為輸入信號電壓；VX為截止電壓。
AD8310的OFLT和BFIN引腳的電容需要根據掃頻頻率來實時調節。經過反復試驗，采用0.01μF，0.1μF，1μF，10μF和100μF的組合可實現20Hz～150MHz范圍內的準確檢測。
3 實測結果
本測試對LPF-BOR8低通濾波器進行測量。該濾波器的截止頻率為1.2MHz。在儀器上電后，首先將輸出電平設定為0dBm，起始頻率設定為20Hz，終止頻率設定為1.5MHz。然后將儀器的輸出和輸入端短接，進行幅度和相位校正。校正后，將儀器的輸出端接濾波器的輸入端，將濾波器的輸出端接儀器的輸入端進行測量。測量結果如圖9所示。從圖中可以看出，該濾波器通帶較為平穩，相位趨于線性，-1dB轉折點約為1.2MHz，與該器件數據手冊給出數據相符。
4 結束語
儀器實現了對20Hz～150MHz范圍內任意頻段的被測網絡幅頻特性和相頻特性測量、數據存儲、回放、峰值查找以及-3dB測量，Q值查找等計算。由于大量采用大規模集成電路，不僅提高了系統的集成度，減小了體積，而目提升了儀器的性能和穩定性。實現了數字化、智能化、低成本。目前儀器已進人生產階段。
