一種遠(yuǎn)程幅頻特性測試裝置的設(shè)計(jì)

方華

摘 要：本系統(tǒng)使用STC12C5A60S2單片機(jī)為主控制器，以AD9854自制DDS電路產(chǎn)生峰值連續(xù)可調(diào)的正弦信號，通過由超寬帶電流反饋運(yùn)算放大器OPA695構(gòu)建的兩級增益可調(diào)放大電路，對輸入信號放大后，直接輸入或者通過1.5m雙絞線輸入到由線性整流濾波電路為主構(gòu)建的幅度檢測電路，將輸出幅值信號送入示波器的Y通道，同時(shí)將信號的頻率信息輸入到示波器的X通道顯示放大器輸出信號的幅頻特性。系統(tǒng)可以通過WiFi路由器無線傳輸幅頻特性信息，由筆記本電腦完成幅頻特性曲線的顯示。該系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了題目的基本要求以及大部分的發(fā)揮部分。

關(guān)鍵詞：AD9854 OPA695 幅頻特性

中圖分類號：TM35 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（a）-0001-02

設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)遠(yuǎn)程幅頻特性測試裝置，由具有自動掃頻功能的信號源輸出1～40MHz峰值可調(diào)信號，通過增益0～40dB連續(xù)可調(diào)的放大器，幅頻特性裝置完成放大器輸出信號的幅頻特性測試，由示波器顯示幅頻特性曲線，也可以通過WiFi路由器在筆記本上遠(yuǎn)程顯示。

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由MCU控制模塊、信號發(fā)生器模塊、放大器模塊、幅頻特性測試模塊、WiFi路由器等組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 信號發(fā)生器模塊的論證與選擇

方案一：采用鎖相環(huán)間接頻率合成方案。鎖相環(huán)頻率合成在一定程度上解決了既要求頻率穩(wěn)定精確、又要求頻率在較大范圍可調(diào)的矛盾。但輸出頻率易受可變頻率范圍的影響，輸出頻率相對較窄，很難滿足題目1～40MHz的高頻要求。方案二：采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）方案。DDS技術(shù)具有輸出頻率相對較寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率分辨率高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，以及相關(guān)波形參數(shù)（頻率、相位、幅度）均可實(shí)現(xiàn)程控的優(yōu)點(diǎn)。采用集成芯片AD9854可實(shí)現(xiàn)題目對信號源的要求。

綜合以上分析，選擇方案二。

1.2 放大器模塊的論證與選擇

方案一：利用具有低失真、高速、單路輸出等的運(yùn)算放大器OPA354。但是，在放大電路應(yīng)用中，OPA354的輸出電壓有效值達(dá)不到題目要求的1V有效值，且它的電阻值不能隨意選取，需按照具體的典型值選擇，才能達(dá)到芯片的最高利用效率，且容易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象、自激等情況。方案二：采用具有禁用功能的超寬帶電流反饋運(yùn)算放大器OPA695，該運(yùn)放最大帶寬為1.8GHz，具有高轉(zhuǎn)換速率1800V/us，單位增益帶寬積為500MHz（G=1），所以采用它使電路更可靠穩(wěn)定。完全可以實(shí)現(xiàn)100MHz預(yù)放大，1.8G的帶寬使得OPA695完全可以達(dá)到寬帶放大的指標(biāo)。

綜合以上分析，為提高系統(tǒng)性能，選擇方案二。

1.3 幅頻特性檢測模塊的論證與選擇

方案一：選用集成模擬乘法器MC1496。利用乘法器將輸入信號進(jìn)行平方，得到高頻信號，低頻信號以及直流信號，再通過低通濾波電路得濾去高頻信號，得到低頻或直流信號，最后經(jīng)過一個(gè)電壓跟隨器后輸出。但是MC1496器件內(nèi)部元件參數(shù)不可能完全相同，致使輸出波形出現(xiàn)載波漏信號，實(shí)際電路的波形并不完全對稱。方案二：由于理論的信號輸出的是直流量，因此，我們可以直接采用線性整流濾波電路。先將由放大器輸出的電壓信號經(jīng)過線性整流濾波電路，將整流電路輸出電壓中的高次諧波分量濾除，得到幅值信號，然后再將頻率信號與幅值信號一起輸入到顯示器，即可完成對放大器輸出信號的幅頻特性曲線的顯示。

綜合以上分析，從電路設(shè)計(jì)的可行性考慮，選擇方案二。

2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1 系統(tǒng)原理與分析

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊制作了核心為AD9854的DDS集成板。通過STC12C5A60S2單片機(jī)的控制，使AD9854輸出信號，然后將信號接入由OPA695構(gòu)成的兩級增益可調(diào)的放大器中，經(jīng)過信號放大后，再通過線性整流濾波電路將高頻信號濾除，得到幅值信號，然后再將頻率信號與幅值信號分別輸入到示波器的X和Y通道進(jìn)行顯示，也可以通過WiFi路由器在筆記本上遠(yuǎn)程顯示。

2.2 信號發(fā)生器電路的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的信號發(fā)生器采用DDS技術(shù)，通過單片機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)正弦波、掃頻等功能。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)主要有單片機(jī)模塊、鍵盤顯示模塊、DDS模塊等。系統(tǒng)采用的單片機(jī)是STC公司的STC12C5A60S2芯片，通過鍵盤設(shè)置控制信號源的輸出信號的頻率、幅度以及自動掃頻。AD9854有10MHz串行接口和100MHz8位并行接口2種方式可以選擇，此處將S/PSELECT（Pin70）引腳接高電平，選擇并行傳輸方式，將STC12C5A60S2的P0.0至P0.7端口與AD9854的D0至D7端口相連傳輸數(shù)據(jù)信息，P2.0至P2.5端口與A0至A5端口相連傳輸寄存器地址信息，P3.6、P3.7分別與WR、RD兩個(gè)引腳相連控制讀寫操作，由這三部分共同組成并行傳輸控制。

2.3 放大器電路的設(shè)計(jì)

放大電路由兩級放大模塊組成，具有寬帶自動連續(xù)調(diào)節(jié)功能。兩級放大器均由OPA695實(shí)現(xiàn)，每級放大10倍，兩級之間通過衰減器電路進(jìn)行級聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)0～40dB增益范圍可調(diào)。經(jīng)測試，本系統(tǒng)達(dá)到了題目所設(shè)定的規(guī)定指標(biāo)。

2.4 頻率特性測試電路的設(shè)計(jì)

我們用線性整流濾波電路進(jìn)行幅度檢測。先將由放大器輸出的電壓信號經(jīng)過線性整流濾波電路，將整流電路輸出電壓中的高次諧波分量濾除，得到幅值信號，然后再將頻率信號與幅值信號一起輸入到顯示器，即可完成對放大器輸出信號的幅頻特性測試。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 程序功能描述

根據(jù)題目要求軟件部分主要控制DDS模塊產(chǎn)生1～40MHz的信號和掃頻信號。

（1）輸出信號：要求輸出1～40MHz的正弦信號。endprint

（2）D/A轉(zhuǎn)換：輸出鋸齒波掃頻信號。

（3）按鍵：設(shè)置頻率增減、掃頻模式和輸出幅度。

（4）顯示部分：顯示頻率、掃描模式、幅值。

3.2 程序設(shè)計(jì)思路

（1）復(fù)位DDS。即Master保持10個(gè)以上系統(tǒng)時(shí)鐘周期的正脈沖。寫控制寄存器。設(shè)置工作模式、數(shù)據(jù)更新方式、鎖相環(huán)倍數(shù)。寫數(shù)據(jù)寄存器。寫入輸出的頻率，以及設(shè)置信號幅值。（2）采用5個(gè)按鍵分別設(shè)置輸出頻率、掃頻模式、輸出幅度。（3）使用PWM模擬DAC輸出鋸齒波掃頻信號。（4）采用STC12C5A60S2單片機(jī)來控制OLED顯示頻率值、掃頻模式和幅度值。

4 測試方案與測試結(jié)果

4.1 測試方案

（1）硬件測試方案：使用GDS-1102A-U數(shù)字示波器觀察并測量。

（2）軟件仿真測試：利用proteus畫出電路仿真圖，進(jìn)行電路的各項(xiàng)性能測試。

（3）硬件軟件聯(lián)調(diào)：軟件仿真結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行比較，分析差異原因，找出改進(jìn)方案。

4.2 測試條件與儀器

測試條件：多次檢查仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。

測試儀器：信號源、GDS-1102A-U數(shù)字示波器、UT136B數(shù)字萬用表。

4.3 測試結(jié)果及分析

4.3.1 測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）

幅頻特性測試裝置的檢測。

4.3.2 測試分析與結(jié)論

（1）利用AD9854制作的高頻信號源，可以輸出頻率范圍為1～40MHz正弦波，且通過單片機(jī)控制，步進(jìn)為1MHz，具有自動掃描功能。（2）基本要求部分，幾乎實(shí)現(xiàn)了題目要求，信號源輸出電壓峰峰值在0～100mV連續(xù)可調(diào)，放大器增益在0～40dB連續(xù)可調(diào)，輸出電壓峰峰值可達(dá)1V，且波形無明顯失真，且幅頻特性測試裝置性能良好，滿足題目要求。（3）發(fā)揮部分，輸出電壓有效值最大可達(dá)4V，且波形無明顯失真，其他的部分也基本上達(dá)到題目所需的要求。

綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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