矢量网络分析仪4.0.doc

宜宾学院2010届毕业设计（论文）. 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、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 paper，which is designed for the measurement of the amplitude-frequency characteristic 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. Frequency 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 the instrument.Keywords：vector network analyzer，DDS，STM32F103，AD9854目 录摘要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 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2929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。1991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13.5、20或40GHz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，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：频率输出范围：1Hz 到120MHz频率分辨力： 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。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 （2.1）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；当负载阻抗时，会因为失配而产生反射。传输线路上所形成的电压最大值与最小值之比称为电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio，简称VSWR），一般仅称为SWR。驻波比具有以下关系：又可表示为： （2.2）显然地，当无反射时，当全反射时 。2.1.2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。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。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；a1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；a2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、b2分别表示端口1和端口2上所有出射波，有 （2.3）式（2.3）中的S11、S12、S21、S22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；S21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：或反射系数：端口1 ；端口2 阻抗：端口1 ；端口2 回波损耗：端口1 ；端口2 2.传输参数：增益：衰减：传输系数：正向；反向传输相移：正向；反向群延时：（为角频率）2.2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（入射波为）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。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，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、。图2-2-1 标量网络分析仪系统框图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。图2-2-2矢量网络分析仪系统框图第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/相位检测等四个部分组成，其系统框图如图3-1-1所示。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-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72MHz，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。其基本结构如图3-3-1所示。相位累加器波形存储器D/A转换器低通滤波器Foutfclk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： （3.1）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频率成正比。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，计算公式如下 （3.2） （3.3）3.3.2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，角频率为的正弦信号，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，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）。图 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）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公司生产的低功耗处理器STM32F103ZET6对DDS的逻辑和输出信号进行实时控制。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）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10mV/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。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）其中，为输入电压，为截距，为斜率。AD8302 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） （3.7）其中，和分别为A、B两通道的输入信号幅度，为斜率，为幅度比较输出，为相位比较输出。AD8302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） （3.9）在幅度测量方程中，表的斜率为30mV/dB，在中心点900mV处，其增益为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10mV/度，中心点900mV所对应的相位为90度，0180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。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2.4576MHz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，提高放大器的稳定性：1.PCB设计上进行电磁兼容处理。严格按信号走向布局布线，缩短信号回路，将3W规则和地线隔离高频信号的方式结合，减少信号的串扰，通过磁珠吸收电源上的干扰，提高系统信噪比，增加系统抗干扰能力，提高了系统稳定性。2.模块布局合理。将各个器件按照信号走向放置，并减小器件之间的连接线长度，减小系统干扰。图3-5-1 24位模数转换电路原理图3.6 Switch电路设计为了实现矢量网络分析仪在不用拆下被测器件手动连接的情况下自动测量反向传输参数S12、正向传输参数S21，设计中利用欧姆龙公司的G6W-1P-3，它是一款表贴2.5GHz高频继电器。在0120MHz范围内，最大插入耗损0.025dB，隔离度大于80dB。电路图如图3-6-1所示。图3-6-1 Switch电路原理图第4章 矢量网络分析仪软件设计矢量网络分析仪软件设计分为PC机应用软件设计和下位机编程两部分，PC机通过RS-232端口与微控制连接，波特率9600bps。微控制器实现相关设置、控制、查询等功能，并由PC机应用软件提供人机界面，实现扫频范围、端口设置、显示测量结果等功能。控制面板的程序分支结构如图4-1所示，由3个模块构成。包括一个主界面（From1.frm）、端口设置模块（PortSet.frm）、频率设置模块（SignalSet.frm）。每一个模块对应一个窗口。 图4-1 主程序分支结构图4.1 PC机应用软件设计4.1.1 VB程序界面设计矢量网络分析仪的控制面板如图4-1-1所示：主要完成信号源设置，测试执行状态显示、仪器连接状态显示、工作时钟设置、仪器功能设置、测试控制等功能。波形显示窗口工作状态栏图4-1-1 矢量网络分析仪的控制面板其中PictureBox控件和MSComm控件是程序里面比较重要的两个控件。矢量网络分析仪波形显示界面对于整个主界面来说最好用图片来设计，这样就可以波形显示进行很好的控制。由于Visual basic6.0有大量的控件，其中图片框控件PictureBox 就可以实现。图片框控件PictureBox可以显示来自位图、图标或者图元文件，以及来自增强的图元文件、JPEG或者GIF文件的图形。修改PictureBox控件的属性可以很方便地调整波形显示界面。通过.Line函数可以很容易的做出需要的波形图。矢量网络分析仪应用软件要实现与跟踪信号源与数据采集模块进行数据通信。就要涉及到用数据通信控件。MSComm通信控件提供了一系列标准通信命令的接口，它允许建立串口连接，可以连接到其它通信设备（如Modem）、还可以发送命令、进行资料交换以及监视和响应在通信过程中可能发生的各种错误和事件。因此矢量网络分析仪控制面板由串口通信控制跟踪信号源与数据采集模块。4.1.2 通信协议基于仪器通信系统自身的特点，上位机和它进行通信，必须满足其特定的要求。我们采用如下的通信方式: (1)主从方式。上位机为主机，下位机为从机。一般情况下，下位机不能主动给上位机发送信息。只有上位机给下位机发出指令后，下位机才能作出应答。这样通过上位机，我们就可以很好地控制整个通信过程。 (2)数据帧方式。采用数据帧的方式，有利于保证数据包的完整性，便于进行数据以及命令的接收和处理。在我们的通信系统中，上位机和下位机均采用相同的协议对通信数据进行打包、解包。我们自己定义帧头为10H1FH，帧尾为9082H，帧标志为84H。另外规定，有效数据中若出现90H，则双写90H，用以区别帧尾中的90。数据帧格式如下所示: 帧头标识位数据位帧尾校验字。表4-1 帧头10H跟踪信号源状态11H数据采集模块状态12H跟踪信号源端口1起始频率13H跟踪信号源端口1截止频率14H跟踪信号源端口2起始频率15H跟踪信号源端口2截止频率16H跟踪信号源端口1扫频间隔频率17H跟踪信号源端口2扫频间隔频率18H跟踪信号源端口1幅度19H跟踪信号源端口2幅度1AH数据采集模块衰减倍率1BH保留1CH保留1DH保留1EH跟踪信号源固件版本1FH数据采集模块固件版本表4-2 帧结构帧头标识位数据位帧尾校验字 另外，在我们的通信过程中，要处理各种不同类型的数据，包括Char 型、Float型、Int型等，在有效数据前加入标识符来识别它们。如84H 06H表示6个浮点数，F3 05表示5个字符。 (3)校验和。这是一种简单而实用的校验方式。在上位机发送指令前，自动计算数据的和，并将它附在数据帧的末端，一起发送给下位机。下位机在接收到数据帧后，先解包，然后再计算一次数据和，用它与数据帧末端的校验和进行比较。反之亦然。使用这种方式可以检验数据在传输的过程中是否发生了变异。 (4)自动重发机制。下位机在接收到错误的数据帧时，将会把该数据帧遗弃掉，同时向上位机返回错误码报错。这时候，该帧数据需要重新发送。如果把重发任务交给应用程序，程序将变得比较复杂。我们把这个任务交给控件，可以很轻松的实现重发功能。在控件内部，当新的数据发送之前，都将数据做一个备份，直到确认接收正确了，才将其消除。如果发现有错误，将其再次发出去。 (5)应答方式。在通信过程，下位机对上位机每一帧数据都必须做出的应答。上位机根据返回的应答判断通信状态，然后进行下一步动作。为了安全起见，规定只有在确认前一包指令正确应答之后，才可以发下一包指令。对于非查询指令(包括全部解释执行指令和部分立即执行指令)，下位机收到后，返回该指令的命令字;对于查询指令，除了返回命令字之外，同时还返回查询数据，如机器人的位置、各轴转角等。如果下位机检测到数据帧有问题，如无帧头、校验和错等，则返回相应的错误码。上位机在发送指令的时候，同时记录下了该指令的命令字。在接收到下位机返回的应答后，将其中的命令字与保留的命令字比较，如果一样，则说明发送正确，可以发送下一条指令;反之，则说明指令发送有问题，根据错误码进行错误处理，并重发当前指令包。指令的发送和应答的接收过程如图4-1-2所示。MSComm控件事件驱动通信，OnComm事件捕获到comEvReceive触发后从缓冲区中取出数据帧。之后首先判断数据帧的帧头位、帧尾位的数据是否与要求相符合，在符合的情况下再根据标识符的值分别来作出不同的处理。图4-1-2 发送指令和接收应答流程4.2 下位机软件设计在本设计中微控制器完成的任务包括：通过串口接收PC应用软件发送的各种指令并作出响应、上载数据采集模块采集的数据。由于微控制器系统时钟高达72MHz，机器周期为13.8ns。与上位机通信波特率9600bps，因此程序部分采用查询结构即可满足系统正常要求，保证通讯正常，避免不会发生丢包现象，程序以模块化方式编写，便于调试和修改。下位机程序的系统流程图如图4-2-1所示。程序清单如下：Unsigned Long Data_Acquisition;Data_Acquisition = Get_AD_Data();/获取24bit AD采样数据Voltage_ Acquisition = 16777216*2500 /(Data_Acquisition);/换算成具体电压/计算幅度，K为校准参数，通过短接PORT1 与PORT2进行校准测量Amplitude = (Voltage_ Acquisition+K) / 30;Phase = (Voltage_ Acquisition+K) / 10;/计算相位图4-2-1 下位机系统工作流程图AD9854有40个8位寄存器，包括两个48位的可编程频率寄存器，用于存放频率控制字；两个14位的可编程相位偏移寄存器，用于存放相位控制字；双12位可编程幅度控制寄存器和监控可编程幅度渐变开关功能；32位控制寄存器，可通过设置控制字选择工作模式和倍频控制字。在电路中AD9854的参考时钟采用30MHz有源晶振，设计选择的是单音工作模式和8倍频。式（2.3）为频率转换公式： （2.3）式中，为输出频率；为采样时钟的频率；为相位累加器位数；为频率控制字，通过改变频率控制字即可改变输出频率。微控制器向AD9854输出数据的写时序如图4-2-2。在控制跟踪信号源时，AD9854控制需严格按照的时序要求。其控制软件流程图如图4-2-3所示。A1A2A3D1D2D3A5:0D7:0/WR图4-2-2 AD9854操作时序图 4-2-3 AD9854控制软件流程图程序清单如下：unsigned int dac_value;/引脚初始化，三个口均为强上拉输出模式GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_ALL);SET_OR();/OR=1SET_RD();/RD=1SET_WR();/WR=1/复位DDSCLR_RST();/RST = 0delay(10);/延时程序SET_RST();/RST = 1delay(10);/延时程序CLR_RST(); /RST = 0delay(10);/延时程序Write_Reg(0x1E,0x4A); /倍频器控制Write_Reg(0x1D,0x00); /节电控制寄存器/传输模式和OSK控制Write_Reg(0x20,0x60);/输出幅度乘法器I,满幅Write_Reg(0x21,0xFF);Write_