基于DDS的頻率特性測量系統的設計

沈陽，楊欽鵬，曹洪奎，祖天一

基于DDS的頻率特性測量系統的設計

沈陽1，楊欽鵬2，曹洪奎2，祖天一2

（1.遼寧工業大學 理學院，遼寧 錦州 121001；2.遼寧工業大學 電子與信息工程學院，遼寧 錦州 121001）

設計了一種基于DDS技術的頻率特性測量系統，系統由單片機IAP15W4K58S4控制DDS芯片AD9850產生弦掃頻信號，由相位與頻率的關系、幅度與頻率的關系得出相頻特性曲線和幅頻特性曲線。測試結果表明，基于單片機技術的頻率特性測量系統，實現了對被測網絡的頻率特性測量與顯示等功能。

頻率特性；DDS技術；峰值檢測；相位檢測

1 引言

在現代電子電路系統中，頻率特性是信號放大傳輸電路的重要特性指標，能反映電路在不同信號頻率輸入下的系統響應。頻率特性測試設備為放大電路的性能分析提供了極大的便利。由單片機作為主控制器，配合其他器件（如DDS芯片等）組成掃頻信號源，利用數字式控制系統完成掃頻功能，這種設計頻率特性測量系統的方法以它的高性價比受到越來越多人的青睞。

本設計以單片機IAP15W4K58S4為控制核心，結合DDS直接數字頻率合成技術，實現頻率測量系統的硬件電路和系統軟件設計。系統由單片機IAP15W4K58S4控制DDS芯片AD9850產生正弦掃頻信號，正弦掃頻信號經過緩沖放大后輸入到被測網絡的輸入端，被測網絡的輸出信號再經過整形電路和由異或門74LS86構成的相位檢測電路得到該輸出信號的頻率和相位差；同時通過由AD736構成的峰值檢測電路測得輸出信號的峰值，經換算得出該信號的幅度。由相位與頻率的關系、幅度與頻率的關系得出相頻特性曲線和幅頻特性曲線，并將特性曲線顯示在2.8寸TFT液晶屏上，從而完成對被測網絡的頻率特性的測量與顯示。

2 系統的總體設計

系統具體由九大部分構成：微控制器主控電路、DDS模塊、緩沖放大電路、被測網絡、整形電路、峰值檢測電路，相位測量電路、按鍵模塊和顯示電路，系統總體設計方案結構如圖1所示。

圖1 頻率特性測量系統結構框圖

它的總體思路如下：系統以單片機IAP15W4K58S4為核心，采用單片機IAP15W4K58S4控制DDS芯片AD9850產生測試所需的正弦掃頻信號源，經過緩沖放大后輸入到被測網絡的輸入端，輸出信號頻率與測試信號相同，但幅度和相位發生變化。被測網絡的輸出響應信號經峰值檢測電路再整流濾波后，送至A/D轉換器進行數據采集，通過單片機對數據進行分析計算，顯示信號的幅值。同時，采用兩路由電壓比較器構成的波形整形電路，將輸入信號和被測網絡輸出信號整形為脈沖信號，脈沖信號經過異或門電路進行異或運算得到相位差脈沖信號，對相位差脈沖信號一個周期內的高電平定時計算得到脈寬，由脈寬與周期和角度的關系計算出相位差。由幅度與頻率的計算關系以及相位與頻率的計算關系得出幅頻特性曲線和相頻特性曲線的數學表達式，通過軟件計算和控制使曲線在TFT液晶屏上顯示，完成對被測網絡的幅頻特性和相頻特性測量。

3 系統單元電路設計

3.1 微控制器最小系統

微控制器用于控制DDS芯片產生原始的正弦掃頻信號源，信號源經過被測網絡后，通過相位檢測和峰值檢測電路采集檢測到發生了變化的輸出正弦信號的相位與幅度數據，對這些數據通過程序進行分析計算，并根據幅度與頻率的計算關系以及相位與頻率的計算關系得出幅頻特性曲線和相頻特性曲線的數學表達式，然后通過軟件計算和控制使曲線在TFT液晶屏上顯示，從而完成對被測網絡的幅頻特性和相頻特性測量。

總的來說，微控制器可控制正弦掃頻信號源的輸出，并對采集的數據進行分析計算處理，完成邏輯控制以及數據處理和人機交互功能，控制整個系統的協調工作，實現數據的直觀顯示作用，是整個系統的核心部分。系統主控芯片選擇STC公司增強型51單片機IAP15W4K58S4。

3.2 正弦掃頻信號源電路設計

系統中采用直接數字頻率合成（DDS）技術，DDS芯片AD9850與單片機IAP15W4K58S4配合使用，實現輸出頻率可控的正弦掃頻信號源。單片機IAP15W4K58S4與AD9850的接口采用串行方式，通過按鍵向AD9850發送32位頻率控制字，用于改變頻率值，實現掃頻功能。由AD9850構成的正弦掃頻信號源電路如圖2所示。

圖2 正弦掃頻信號源電路

采用硬件電路連接實現AD9850串行方式傳輸數據，具體引腳接法為：AD9850的D0、D1引腳接VCC，即高電平置1；D2、D3、D4、D5、D6引腳接地，即低電平置0；D7為串行數據傳輸引腳用來接收單片機發送的數據，更改頻 率值。

AD9850與單片機接口具體連接為：AD9850的D7、RESET、FQ_UD、W_CLK引腳分別與單片機P0.0、P0.1、P0.2、P0.3相連實現單片機對AD9850輸出頻率的控制。在該系統中，使用125 MHz的外部有源晶振，為了使輸出信號頻率能夠最大程度地降低AD9850外部系統時鐘晶振的干擾，將信號加到模擬系統的輸入端，利用測量儀器，可得到系統的動態響應曲線及性能指標。

3.3 緩沖放大電路設計

3.4 峰值檢測電路設計

本設計選用AD公司推出的真有效值直流變換器AD736。AD736可以對信號頻率為500 kHz以下、幅度低于200 mV的信號進行峰值檢測，輸出直流信號，具有電路設計簡單、檢測精度和靈敏度高的特點。

3.5 相位檢測電路設計

DDS產生的原始掃頻信號源和經過被測網絡電路后輸出的正弦信號經過比較器LM393構成的正弦信號過零比較整形電路，得到兩路矩形脈沖信號，再對兩路矩形脈沖信號進行異或運算，得到信號的高電平時間對應角度即是相位差。相位差角度與頻率的關系通過程序控制，使其對應的數學函數曲線在TFT液晶屏上顯示。

4 結論

本文主要對頻率特性測量系統進行了設計，對頻率特性測量原理進行了說明，并完成了系統的方案設計，以及硬件電路、系統軟件的設計與調試。針對硬件電路設計，本系統采用IAP15W4K58S4微控制器作為核心控制器件，用于采集各個測量模塊的數據并進行分析處理，再根據數據之間的數學關系控制測量結果的輸出顯示。使用DDS芯片AD9850實現正弦掃頻信號源的設計，為系統提供測量信號源；采用真有效值芯片AD736對被測網絡電路輸出信號的幅度值進行檢測。還針對系統設計了相應的穩壓電源，并對各個硬件模塊的外圍電路進行了設計及相關說明。由于單個模塊電路測量時會存在一定的誤差，必須使用相應的方法將各個模塊電路的采集數據進行融合，才能解算出比較精確和穩定的輸出數據。對于正弦掃頻信號源部分，采用軟件程序對頻率修正，減小參考時鐘晶振帶來的誤差；對A/D采集部分采用算術平均濾波法進行程序設計，減小隨機信號的干擾。測試結果表明，本文設計的基于單片機技術的頻率特性測量系統，實現了對被測網絡的頻率特性測量與顯示等功能。系統具有操作方便、成本低廉、結果顯示直觀等優點。

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TM935.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.001

2095－6835（2020）08－0001－02

〔編輯：嚴麗琴〕