高精度簡易頻率特性測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁志勛，閉呂慶

（1.河池學(xué)院智能計(jì)算與模式識(shí)別重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，宜州 546300；2.玉林師范學(xué)院電子與通信工程學(xué)院，玉林 537000）

0 引言

頻率特性測試儀是一種專門用于測量電子裝備或特定二端電路網(wǎng)絡(luò)頻率特性的儀器。不僅可以實(shí)現(xiàn)濾波器以及寬帶放大器等無源和有源網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)測試，如諧振頻率、帶寬、衰減和增益等參數(shù)的測試，同時(shí)可以測量雷達(dá)、導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)的各級(jí)放大器以及電視機(jī)的公共通道和伴音通道視頻通道的參數(shù)測試[1-3]。針對(duì)國內(nèi)外的頻率特性測試裝備均以高頻段的居多，且頻率分辨通常在1Hz以上，不能滿足低頻電路的精確測量[4]，本系統(tǒng)針對(duì)低頻段的二端電路網(wǎng)絡(luò)頻率特性測試，設(shè)計(jì)了一種高性價(jià)比的低頻率特性測試儀，利用AD9854設(shè)計(jì)掃頻信號(hào)源，頻率分辨率高達(dá)0.1Hz，采用AD8367設(shè)計(jì)掃頻信號(hào)的AGC電路，實(shí)現(xiàn)掃頻頻帶內(nèi)起伏不大于0.1dB，利用AD8302完成幅度增益和相位的檢測，通過單片機(jī)STM2F104內(nèi)部集成的AD對(duì)AD8302輸出的電壓形式的幅度增益和相位信號(hào)進(jìn)行采樣，完成了各個(gè)頻點(diǎn)的幅度增益和相位信號(hào)采集，完成了對(duì)二端電路網(wǎng)絡(luò)0MHz至100MHz范圍頻率響應(yīng)特性的測試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示，單片機(jī)STM32F103控制AD9854產(chǎn)生掃頻信號(hào)，由AD8367完成對(duì)該掃頻信號(hào)的AGC控制，將掃頻信號(hào)的幅度恒定在一定范圍內(nèi)。將幅度恒定的掃頻信號(hào)分為兩路，一路輸入到被測網(wǎng)絡(luò)中，另外一路直接輸入到AD8302幅度增益、相位檢測電路中。幅度、相位檢測電路通過對(duì)AGC輸出和被測網(wǎng)絡(luò)輸出的兩路掃頻信號(hào)的對(duì)數(shù)檢波和相位檢波器，完成幅度增益和相位檢測。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 關(guān)鍵硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 掃頻信號(hào)及AGC電路設(shè)計(jì)

AD9854是高集成度的直接數(shù)字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer）器件，片內(nèi)整合了兩路高速、高性能正交D/A轉(zhuǎn)換器，通過數(shù)字化編程可以輸出I、Q兩路合成信號(hào)。在高穩(wěn)定度時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，AD9854將產(chǎn)生一高穩(wěn)定的頻率、相位、幅度可編程的正弦和余弦信號(hào)[5-7]。其DDS內(nèi)核具有48位的頻率分辨率，在300MHz系統(tǒng)時(shí)鐘條件下，頻率分辨率可達(dá)1uHz。作為本地振蕩信號(hào)源廣泛應(yīng)用于通信，雷達(dá)等要求較高的場合。本系統(tǒng)采用了一片AD9854芯片，通過STM32F103編程控制，完成掃頻信號(hào)的信號(hào)源設(shè)計(jì)。

采用AD8367芯片為核心完成掃頻信號(hào)源的AGC電路設(shè)計(jì)，當(dāng)AD8367的增益大于40dB的控制范圍。工作頻率為200MHz時(shí)，可提供優(yōu)于±0.5dB的線性誤差。而在400MHz時(shí)可提供優(yōu)于±ldB的線性誤差。

圖2 掃頻信號(hào)AGC電路圖

電路設(shè)計(jì)如圖2所示，AD8367有GAIN UP和GAIN DOWN兩種工作模式。模式選擇通過芯片第五個(gè)MODE引腳的外加邏輯電平控制。當(dāng)接高電平時(shí)。其增益隨控制電壓的增加而遞增[5-6]，公式為：

當(dāng)MODE接地時(shí)。增益隨電壓遞減，公式為：

掃頻信號(hào)源的AGC電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用中利用增益隨電壓遞減的模式。而在本次設(shè)計(jì)中，采用了增益隨電壓遞減的模式進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，將第6個(gè)引腳（檢波輸出）的輸出接到第5個(gè)控制引腳即可實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋控制。

2.2 幅度增益和相位檢測電路設(shè)計(jì)

通常采用復(fù)雜的分立器件搭建來完成幅度增益和相位檢測的電路設(shè)計(jì)，其測量精度往往不能滿足高要求場合[8-13]，本系統(tǒng)采用高度集成的幅度增益和相位檢測芯片AD8302，其內(nèi)部包含1個(gè)寬帶相位檢測器、2個(gè)精密匹配的寬帶對(duì)數(shù)放大器、1.8V精密基準(zhǔn)源，以及模擬信號(hào)標(biāo)定電路和標(biāo)準(zhǔn)接口電路，該芯片能精確地測量從低頻至2.7GHz頻率范圍內(nèi)兩個(gè)信號(hào)之間的幅度增益和相位差，主要通過精密匹配的兩個(gè)寬帶對(duì)數(shù)檢波器來實(shí)現(xiàn)對(duì)兩輸入通道的幅度增益和相位差測量[14-15]。

圖3 幅度增益和相位檢測電路圖

圖4 輸出電壓值和幅度增益、相位關(guān)系圖

幅度增益和相位檢測電路設(shè)計(jì)如圖3所示，IN_A和 IN_B為兩路檢測信號(hào)的輸入端子，R2、R3和C2～C6組成輸入阻抗匹配電路，Vmag和Vphs分別為幅度增益和相位信號(hào)輸出端子，其輸出為電壓值，輸出電壓值和幅度增益、相位之間的關(guān)系如圖4所示，輸出電壓與增益、相位差為線性關(guān)系。圖（a）為增益與輸出電壓之間的關(guān)系，當(dāng)電壓為0時(shí)，增益為-30db，當(dāng)電壓為1.8V時(shí)，增益為30db。圖（b）為相位和輸出電壓之間的關(guān)系，當(dāng)電壓為0時(shí)，相位差為-180°，當(dāng)電壓為1.8V時(shí)，相位差為+180°。

3 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

為了較好完成對(duì)二端電路網(wǎng)絡(luò)的測試任務(wù)，提供友好的人機(jī)界面，本系統(tǒng)采用C語言在Keil MDKARM V5.0開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)控制程序開發(fā)。系統(tǒng)控制程序核心部分為掃頻信號(hào)的產(chǎn)生和幅頻、相位信號(hào)采集，具體的控制程序的設(shè)計(jì)如圖5所示，系統(tǒng)初始化后掃描按鍵，若收到參數(shù)設(shè)置指令則進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并將參數(shù)保存到EEPROM當(dāng)中，并返回等待測試指令；若收到特性測試指令則讀取存儲(chǔ)器的參數(shù)，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)產(chǎn)生掃頻信號(hào)，利用STM32F103內(nèi)部的AD對(duì)每一個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)幅度增益、相位信號(hào)值進(jìn)行采集，當(dāng)完成整個(gè)頻帶內(nèi)的掃頻任務(wù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示二端電路網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線。

圖5 系統(tǒng)控制程序流程圖

4 測試分析

系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后，進(jìn)行實(shí)物測量，用示波器測量掃頻信號(hào)的輸出，輸出的波形如圖 6（a）和（b）所示，將示波器的掃描時(shí)間設(shè)置較慢時(shí)觀察輸出信號(hào)波形，發(fā)現(xiàn)DDS的輸出頻率較低時(shí)，輸出幅度較高，當(dāng)輸出頻率逐漸增大，輸出幅度隨頻率增加而降低，圖6（c）為AGC電路的幅頻特性曲線，由圖可知，0至200MHz頻帶內(nèi)起伏不大于0.08dB，滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖6 掃頻信號(hào)和AGC電路特性曲線

5 結(jié)語

根據(jù)上述測試分析可知，完成了一種簡易頻率特性測試系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)掃頻頻帶內(nèi)起伏不大于0.1dB，利用AD8302完成幅度增益和相位的檢測，通過單片機(jī)STM2F104內(nèi)部集成的AD對(duì)AD8302輸出的電壓形式的幅度增益和相位信號(hào)進(jìn)行采樣，完成了各個(gè)頻點(diǎn)的幅度增益和相位信號(hào)采集，完成了對(duì)二端電路網(wǎng)絡(luò)0MHz至100MHz范圍頻率響應(yīng)特性的測試。該簡易頻率特性測試系統(tǒng)具有操作簡捷，攜帶方便，體積較小，分辨率高并且頻率顯示范圍較寬等特點(diǎn)。

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