高精度簡易頻率特性測試系統設計

梁志勛，閉呂慶

（1.河池學院智能計算與模式識別重點實驗室，宜州 546300；2.玉林師范學院電子與通信工程學院，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絡頻率特性的儀器。不僅可以實現濾波器以及寬帶放大器等無源和有源網絡的參數測試，如諧振頻率、帶寬、衰減和增益等參數的測試，同時可以測量雷達、導航系統接收機的各級放大器以及電視機的公共通道和伴音通道視頻通道的參數測試[1-3]。針對國內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]，本系統針對低頻段的二端電路網絡頻率特性測試，設計了一種高性價比的低頻率特性測試儀，利用AD9854設計掃頻信號源，頻率分辨率高達0.1Hz，采用AD8367設計掃頻信號的AGC電路，實現掃頻頻帶內起伏不大于0.1dB，利用AD8302完成幅度增益和相位的檢測，通過單片機STM2F104內部集成的AD對AD8302輸出的電壓形式的幅度增益和相位信號進行采樣，完成了各個頻點的幅度增益和相位信號采集，完成了對二端電路網絡0MHz至100MHz范圍頻率響應特性的測試。

1 系統總體設計

系統整體設計如圖1所示，單片機STM32F103控制AD9854產生掃頻信號，由AD8367完成對該掃頻信號的AGC控制，將掃頻信號的幅度恒定在一定范圍內。將幅度恒定的掃頻信號分為兩路，一路輸入到被測網絡中，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AGC輸出和被測網絡輸出的兩路掃頻信號的對數檢波和相位檢波器，完成幅度增益和相位檢測。

圖1 系統總體框圖

2 關鍵硬件電路設計

2.1 掃頻信號及AGC電路設計

AD9854是高集成度的直接數字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer）器件，片內整合了兩路高速、高性能正交D/A轉換器，通過數字化編程可以輸出I、Q兩路合成信號。在高穩定度時鐘的驅動下，AD9854將產生一高穩定的頻率、相位、幅度可編程的正弦和余弦信號[5-7]。其DDS內核具有48位的頻率分辨率，在300MHz系統時鐘條件下，頻率分辨率可達1uHz。作為本地振蕩信號源廣泛應用于通信，雷達等要求較高的場合。本系統采用了一片AD9854芯片，通過STM32F103編程控制，完成掃頻信號的信號源設計。

采用AD8367芯片為核心完成掃頻信號源的AGC電路設計，當AD8367的增益大于40dB的控制范圍。工作頻率為200MHz時，可提供優于±0.5dB的線性誤差。而在400MHz時可提供優于±ldB的線性誤差。

圖2 掃頻信號AGC電路圖

電路設計如圖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MODE引腳的外加邏輯電平控制。當接高電平時。其增益隨控制電壓的增加而遞增[5-6]，公式為：

當MODE接地時。增益隨電壓遞減，公式為：

掃頻信號源的AGC電路設計中應用中利用增益隨電壓遞減的模式。而在本次設計中，采用了增益隨電壓遞減的模式進行電路設計，將第6個引腳（檢波輸出）的輸出接到第5個控制引腳即可實現負反饋控制。

2.2 幅度增益和相位檢測電路設計

通常采用復雜的分立器件搭建來完成幅度增益和相位檢測的電路設計，其測量精度往往不能滿足高要求場合[8-13]，本系統采用高度集成的幅度增益和相位檢測芯片AD8302，其內部包含1個寬帶相位檢測器、2個精密匹配的寬帶對數放大器、1.8V精密基準源，以及模擬信號標定電路和標準接口電路，該芯片能精確地測量從低頻至2.7GHz頻率范圍內兩個信號之間的幅度增益和相位差，主要通過精密匹配的兩個寬帶對數檢波器來實現對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、相位關系圖

幅度增益和相位檢測電路設計如圖3所示，IN_A和 IN_B為兩路檢測信號的輸入端子，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、相位之間的關系如圖4所示，輸出電壓與增益、相位差為線性關系。圖（a）為增益與輸出電壓之間的關系，當電壓為0時，增益為-30db，當電壓為1.8V時，增益為30db。圖（b）為相位和輸出電壓之間的關系，當電壓為0時，相位差為-180°，當電壓為1.8V時，相位差為+180°。

3 系統控制程序設計

為了較好完成對二端電路網絡的測試任務，提供友好的人機界面，本系統采用C語言在Keil MDKARM V5.0開發環境下進行系統控制程序開發。系統控制程序核心部分為掃頻信號的產生和幅頻、相位信號采集，具體的控制程序的設計如圖5所示，系統初始化后掃描按鍵，若收到參數設置指令則進行參數設置，并將參數保存到EEPROM當中，并返回等待測試指令；若收到特性測試指令則讀取存儲器的參數，根據設置的參數產生掃頻信號，利用STM32F103內部的AD對每一個頻點對應幅度增益、相位信號值進行采集，當完成整個頻帶內的掃頻任務后，對數據進行處理并顯示二端電路網絡的頻率特性曲線。

圖5 系統控制程序流程圖

4 測試分析

系統完成設計后，進行實物測量，用示波器測量掃頻信號的輸出，輸出的波形如圖 6（a）和（b）所示，將示波器的掃描時間設置較慢時觀察輸出信號波形，發現DDS的輸出頻率較低時，輸出幅度較高，當輸出頻率逐漸增大，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頻帶內起伏不大于0.08dB，滿足預定的設計目標。

圖6 掃頻信號和AGC電路特性曲線

5 結語

根據上述測試分析可知，完成了一種簡易頻率特性測試系統的基本設計，實現掃頻頻帶內起伏不大于0.1dB，利用AD8302完成幅度增益和相位的檢測，通過單片機STM2F104內部集成的AD對AD8302輸出的電壓形式的幅度增益和相位信號進行采樣，完成了各個頻點的幅度增益和相位信號采集，完成了對二端電路網絡0MHz至100MHz范圍頻率響應特性的測試。該簡易頻率特性測試系統具有操作簡捷，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。

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