2013年简易频率特性测试仪设计报告

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。本系统具有低功 耗，成本低廉，

2、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，频率特性测试目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 一、设计目标41、基本要求：42、发挥部分：4 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 二、系统方案4方案一5、. J-、4方案二方案一 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 三、控制方法及显示方案5 HYPERLINK l bookmark10 o Curre

3、nt Document 四、系统总体框图6 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 五、电路设计61、DDS模块设计62、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 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 六、软件方案10 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 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12 HYPERLINK l bookmark34 o Cu

4、rrent Document 八、总结12 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 九、参考文献12 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 十、附录13一、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W10-4；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W5，幅度平衡误差的绝对值W5%。（3）信号电压的峰峰值N1V，幅度平坦度W5%。（4）

5、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W2s。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。2.输入阻抗为50Q，输出阻抗为50Q；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W5；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

6、最大电压增益2-1dB；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。低逋低逋以 口存换二、系统方案低逋低逋以 口存换测量显相位特性曲”测量显测量显示幅断 相位特 性曲然测量显示 幅骊相茴 测量显示 幅骊相茴 特性曲球方案一方案一对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

7、 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。、* Jt 方案二 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，所以不宜采用方案三。方案一综合考虑，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

8、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。发挥部分中，设两路正交信号分别为V1=Acos3t与V2=Asin3t,且余弦信 号经过待测网络后变为Vx=ABcos(3t+。计算可知：V1 Vx=1/2

9、A2Bcos(23t+w)+1/2A2BcosqV2 Vx=1/2A2Bsin(23t+w)- 1/2A2Bsinp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=1/2A2Bcosq和 Q=-1/2A2Bsin 则可以计算出 1/2A2B= J(I2+Q2), p=-arctan(Q/I),由此可以得 出频率f=3/2n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

10、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TLC2543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320X240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

11、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。时钟模。式4* 一 2 0* 参考频 率倍频参考时1/ 钟输入波形存储器数字乘逆51口滤FSK/ BPSK /HOL D更新上升和下降边沿乘 法器模拟12位时钟模。

12、式4* 一 2 0* 参考频 率倍频参考时1/ 钟输入波形存储器数字乘逆51口滤FSK/ BPSK /HOL D更新上升和下降边沿乘 法器模拟12位D/X* 输出读信号 写信号串行/并 行选择比较 器输 入比较 器输 出电复位源地图3 AD9854功能结构框图双向寄存器一 更新信号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4x到20 x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。

13、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50Q电阻，如图所示，两 路信号均进入放大器。ViTHS300150 OhmVo50 OhmViTHS300150 OhmVo50 Ohm OhmWV-100 Ohm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，Ro为放大器输出阻抗50欧，Ri也为50欧，为后级电路的 输入电阻。中心频率f0=1

14、/(2nJLC),品质因数Q=(1/R)J(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、Y2、 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

15、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。门/ n 臼门/ n 臼nrn rn臼 回rnFi n夕夕初 臼MSBLSB、37时 M ,I、3bax-e r Addr.ShTiLJlUiniEioursIv Shift 0u1 PrevioiiEiConversion ValueNOTE A To run irnke ernDrscaused tv acCS 仃巴的阳口泡 diicu hr waksfora ?srtup limp afttir OS - betoH r?siJOndlriu to oonlnji Inul TherafcwflL

16、na aVempt ahoiJd be mad白，白白屿岛 In an 3ddmse until the nninlmum CEselup-tlrra has 白患3白&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开始工作，在连续十二个时钟期间，单片机写入相应 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

17、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：

18、图9 DDS主控流程图10等好m行接 收数擀再媚墙制铲曲 秣“求得现点对成相位美i而3、等好m行接 收数擀再媚墙制铲曲 秣“求得现点对成相位I皓荣 ）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GPD-3303DDS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 TDS2022B 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)1510152025303540CH1(Vpp)1.141.131.141.15

19、1.151.161.161.161.15CH2(Vpp)1.151.141.151.161.151.171.161.181.17Ap()91.290.488.290.186.884.683.687.285.4表1 DDS输出信号测试数据基本满足题目要求。113、RLC被测网络测试结果中心频率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,、炉为测量所得）f(MHz)1516171819202122232425Av(dB)-10.12-8.85-6.57-4.48-2.03-0.49-2.16-4.33-6.21-8.45-9.87Av(dB)-9.7-8.6-6.3-4.2-1.9-0.9-1.8-4.1-5.9-8.2-9