基于FPGA和MSP430的頻率特性測試儀

陳小橋, 李希希, 李 哲, 李 卓

(武漢大學 a. 電子信息學院； b. 物理學院， 湖北 武漢 430072)

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基于FPGA和MSP430的頻率特性測試儀

陳小橋a, 李希希a, 李 哲b, 李 卓a

(武漢大學 a. 電子信息學院； b. 物理學院， 湖北 武漢 430072)

以FPGA和MSP430F6638為控制核心，主要包含信號源、被測網絡、檢波及顯示部分。其中，測試信號源基于DDS原理，可以實現0.1～150 kHz的掃頻，最小步進10 Hz，穩定度優于10-4，測量精度1%。并設計制作了中心頻率5 kHz，帶寬±50 Hz的阻容雙T網絡。檢波部分采用高性能芯片AD637測量雙T網絡輸出信號的有效值，通過單片機計算峰值；并將輸出、輸入信號分別放大整形得到穩定的方波輸入FPGA計算相差，從而繪制幅頻特性曲線和相頻特性曲線。可以通過鍵盤設置步進，切換幅頻特性曲線、相頻特性曲線的顯示界面，以及其他參數的顯示和查看。整個系統是單片機和FPGA的有機結合、協同控制下，工作穩定，測量精度高，人機交互靈活。

DDS； 相頻特性； 幅頻特性； 掃頻； 雙T網絡

0 引 言

頻率特性的分析在模擬電路的設計、應用中十分重要，很多情況下都需要對信號進行掃頻分析，根據需要提取幅頻特性與相頻特性等信息。

本文基于FPGA和MSP430F6638設計制作一個頻率特性分析儀，采用DDS制作信源，能有效地提高信號的穩定性，通過FPGA和集成真有效值檢測芯片，較準確地繪出了幅頻特性曲線，通過比較飽和放大后，模塊的輸入輸出信號得到相位差，繪制出相頻特性曲線，另外也改進了阻容雙T測試網絡，以期達到更好的穩定性和精度，提高人機交互性能，也便于平時實驗中的使用。

1 系統總體設計

本系統以FPGA和單片機MSP430F6638為控制核心，包括信源產生電路、被測網絡、有效值檢測電路、相位檢測電路以及鍵盤和LCD界面顯示部分[1]。具體的實現方框圖見圖1。

圖1 系統總體框圖設計

本系統采用DAC904產生標準的正弦信號，經過電流電壓轉化并進一步放大輸入到雙T網絡，在輸出端通過有效值檢測芯片AD637網絡得到輸出信號的有效值，再通過ADS8505傳送給單片機計算出其峰值并存儲。另外，將雙T網絡的輸入端和輸出端分別接入測相網絡的兩個輸入端，通過低噪聲高速放大器OPA690飽和放大后再經高速比較器TL3016滯回比較得到方波接入FPGA，計算出信號經過網絡的相位變化，用等精度測量法測頻，掃頻，再根據計算出的幅度和相位繪制出幅頻特性曲線和相頻特性曲線，并在液晶屏LCD12864上實時顯示。外圍電路接有鍵盤，除軟件自動掃頻外，還可以手動控制頻率步進，并實現幅頻特性曲線和相頻特性曲線界面的切換，使界面友好、美觀。

2 方案設計

2.1 被測信號源

被測信號源一般采用直接數字頻率合成器DDS產生[2-4]。采用DAC，用RAM存儲所需波形的量化數據，按不同的頻率要求以頻率控制字K為步進對相位增量進行累加，以累加相位值作為地址碼取出雙口RAM中的波形數據，經D/A轉換，再低通濾波，適度放大得所需波形。DDS相對帶寬很寬、頻率轉換時間短(可小于20 ns)、頻率分辨率高(典型值為0.001 Hz)，而且全數字化結構便于集成，輸出相位連續，頻率、相位和幅度均可實現程控，理論上講，只要累加器的位數足夠多，便能夠實現任意波形。

由于本題的頻率范圍較小，故選擇14位高速數模轉換器DAC904做DDS芯片產生所需的正弦信號，完全可以達到要求，且功耗較小，較為簡便。

2.2 幅度測量

檢波二極管構成的峰值檢測電路，實現簡單，在很寬的頻帶內的輸出基本不變，在1～2 V誤差很小(1%)，且便于數據擬合。但由于電容充放電特性造成的低頻效應，在頻率低于100 Hz時測量誤差較大，更適用于高頻信號峰值檢測。

高精度、寬帶真有效值檢波專用芯片AD637量程在0～7 V范圍內可調，當輸入電壓200 mV(RMS)時，頻率上限為600 kHz；大于1 V(RMS)時頻率上限8 MHz，電路在測量峰值因數高達10的信號時附加誤差僅為1%。但頻率1 MHz以上的信號衰減很快，不適合高頻測量，恰好本系統頻率范圍較小，故采用AD637電路實現對正弦波的幅度測量。

2.3 相位測量

如圖2所示，將待測的兩路信號分別整形為方波信號，送到鑒相器，電壓的直流成分反映了兩路信號的相差，將輸出電壓經低通濾波取出直流成分，送到A/D采樣，就能計算出兩路信號的相差。此法將相位轉換為電壓，操作簡單，可以測量高頻信號的相位差，但測量速度較慢，且由于存在濾波器，精確度較低[7]。

也可采用兩片高速A/D轉換芯片同時對輸入、輸出信號進行等時間間隔采樣并將采樣結果分別存儲，然后對所測信號的波形數據進行分析。 掃描存儲在RAM中的波形數據，查找兩部分數據的最大值或最小值，計算兩片A/D轉換器采集兩部分波形數據的最大值或最小值的時間間隔，則信號的相位差為：

(1)

其中：ΔΤ為兩路信號相鄰極值的時間間隔；T為信號周期。但此法對AD要求很高，測量頻率范圍很小。

經綜合考慮，為減小量化誤差，提高測量精度，采用計數法，將待測的兩路信號放大后分別經過比較器，對輸出的方波進行異或操作，所得脈沖的占空比反映相位差的大小，利用D觸發器產生1個寬度為整個被測信號周期整數倍的同步閘門信號，將同步閘門信號與時鐘脈沖相與后送入計數器1進行計數，計數值為N1，將同步閘門信號、時鐘脈沖、異或脈沖三者相與后送入計數器2進行計數，計數值為N2，則相位差為：

(2)

2.4 頻率特性曲線的顯示

曲線顯示可采用YT模式，也可采用XY模式。根據實驗室資源本系統采用LCD液晶屏，通過打點描繪實現頻率特性的顯示。

3 具體硬件電路設計

硬件電路主要包括信源、被測網絡、幅度測量、相位測量模塊。下面分別介紹這4個模塊。

3.1 信源模塊

如圖3所示，信源模塊由DDS信號產生電路組成，FPGA輸出信號經DAC904轉換為模擬信號，再經OPA690進行I/V轉換[8-9]，即得到所需的正弦波。

3.2 被測網絡模塊

被測網絡是一個中心頻率5 kHz，帶寬±50 Hz的阻容雙T網絡。無源網絡的中心頻率由RC值決定，由

(3)

可以算出RC值為3.18×10-5。通過仿真軟件的仿真結果可以明顯看出，無源網絡的帶寬不能滿足題目要求，必須采用有源雙T網絡才能達到50 Hz的帶寬[10]。

如圖4，有源帶阻濾波網絡后接運放作為反饋網絡，再加一個運放提供反饋環路的增益，同時又起到對雙T網絡的隔離作用。電路采用低噪聲低偏置精密放大器OPA277，可提高峰峰值測量的精度[12]。雙T網絡的頻率特性曲線見圖5。

3.3 幅度測量模塊

采用AD637實現有效值檢波，為進一步提高測量準確度，可利用外部調整元件來減小有源整流器的非線性誤差。平均電容用來設定平均時間常數，并決定低頻準確度、輸出波紋的大小和穩定時間。AD637的輸出需通過AD8505進行AD轉換傳給單片機計算峰值。具體電路見圖6。

圖5 頻率特性曲線

3.4 相位測量模塊

前級采用高速放大器OPA690對信號進行飽和放大，后級采用高速比較器TL3016構成帶有微小正反饋的滯回比較電路，以便輸出穩定的方波。再將方波接入FPGA處理，進行相位測量。由于在中心頻率附近信號衰減很大，因此放大倍數要足夠大，才能通過后級的比較門限正確輸出方波。為了測量雙T網絡的輸出信號相比于輸入信號的相位變化，需要兩路完全一樣的放大整形電路。具體電路如圖7。

4 系統軟件設計

系統軟件采用模塊化設計，以FPGA和單片機為控制核心，有主程序、掃頻DDS生成模塊、幅值測量模塊、相位測量模塊、鍵盤以及顯示模塊等。

軟件設計的基本思路是：用FPGA驅動DDS產生一路正弦掃描信號，并且可以通過鍵盤手動控制步進，通過計算AD輸入的有效值計算出幅值，同時將相位測量模塊輸出的方波進行比較，計算出相差，即可畫出信號的頻率特性曲線，并在LCD屏上打點顯示。系統軟件流程圖見圖8。

5 結 語

本系統制作的幅頻特性測試儀基本實現了幅頻特性和相頻特性能的準確測量與顯示。頻率范圍為100～100 kHz，測量精度1% 。在全頻范圍和特定頻率范圍內可自動步進測量(時間5 s)，可手動預置測量范圍及步進頻率值，最小步進10 Hz，效果良好。DDS頻率穩定度為10-4；LCD頻率顯示5位，電壓顯示3位。

其中測量誤差主要和AD、DA的精度，直流電源的紋波以及系統的穩定性有關。系統設計過程中，要注意整體架構，芯片的選擇要考慮全面，例如速度、噪聲、擺率、供電電壓等。在電路設計焊接時注意布線布局，盡量系統的噪聲，提高測量精度[16-17]。還要注意自制電源的質量，盡量減小紋波噪聲等，減小對系統性能的影響。

圖8 系統軟件流程圖

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A Tester for Frequency Response Characteristic Based on FPGA and MSP430

CHENXiao-qiaoa,LIXi-xia,LIZheb,LIZhuoa

(a. College of Electronic Information; b. School of Physics, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

This system is based on FPGA and MSP430F6638, which contains the signal generator, tested network, wave-checking and the display.The signal generator is based on DDS principle,which can sweep frequency from 100 Hz to 150 kHz.The smallest step is 10 Hz, the stability is higher than 10-4, and the measuring accuracy is 1%. Meanwhile, the author designed RC Twin-T network with a 5 kHz center frequency and bandwidth ±50 Hz. In the wave-checking part, we got the valid value of the output by AD637, and then the SCM calculate the peak. After the output signal is amplified and shaped, then put it in FPGA, and compared two square waves to obtain their difference. And the amplitude-frequency characteristic curve and phase-frequency characteristic curve could be drawn. We can set the step of frequency,change the interface between amplitude-frequency characteristic curve and phase-frequency characteristic curve, as well as other parameters to display through the keyboard. The entire system combined from a single chip and FPGA is stable, accurate and flexible.

DDS; phase-frequency characteristic; amplitude-frequency characteristic; swept signal; twin-T network

2015-03-01

武漢大學教改項目(610400022)

陳小橋(1960- )，男，湖北武漢人，碩士，教授級高級工程師，實驗中心主任，國家教育部實驗室建設指導委員會成員，長期從事檢測技術及儀器研究工作。

Tel.:13507160188; E-mail:cxq@whu.edu.cn

TM 935.23

A

1006-7167(2015)08-0068-05