幅頻特性測試實驗系統的設計與實現

左向達

摘要：本文中設計一套針對中頻，簡易的模塊化幅頻特性分析儀實驗裝置。根據正交乘積法測量頻率特性曲線的原理，采用Tiva C LaunchPad單片機評估板做主控制器，控制DDS芯片AD9854產生正交掃頻信號，采用模擬乘法器AD835設計正交解調電路，利用單片機及其片上AD完成對兩路正交信號采樣和數據處理。整個系統包括頻率合成器、混頻器等模塊，每個模塊接口標準化設計，可拓展性強，靈活方便。

關鍵詞：AD9854;幅頻特性;模塊化設計

電子設計中經常用到的測量幅頻特性的儀器頻譜分析儀，是現代電子測量領域的重要測量工具，被廣泛用于大到通信系統開發，小到電子器件的各類設計中，其作用是測量如信號傳輸網絡、濾波電路這樣雙端口網絡在頻率范圍內，輸入信號的幅度隨著頻率變化的情況。參考得到的幅頻特性曲線與相頻特性曲線可以得到其帶寬、功率、諧波等信息，進而對所設計的電子器件單元進行性能評估和改進方向。近幾年，國內外的頻譜分析儀產品都在向智能化、自動化、便攜化、模塊化、多功能的方向發展，不斷地將新技術、新元件、新工藝融入到頻譜分析儀的電路設計中。

1??? 背景

電子設計中常見的一些信號大多不是單一頻率的，而是在一個范圍內不斷變化。在放大電路、濾波電路及諧振電路等幾乎所有的電子電路和設備中均含有電抗性元件，由于它們在不同頻率下的電抗值是不相同的，因而電信號在通過這些電子電路和設備的過程中，其幅度與相位發生了變化，亦即是電信號在傳輸過程中發生了失真。電信號傳輸前后信號的幅度比即為幅頻特性，所以幅頻特性測量儀器對于電子設計實踐是不可或缺的。

用于幅頻特性測量的常用儀器有矢量網絡分析儀、頻譜分析儀和掃頻儀等。其中，頻譜分析儀廣泛應用于各種系統的開發測試中。頻譜分析儀測量二端口網絡在整個頻率范圍內輸入信號幅度的變化情況;早期的頻率特性測試儀是通過手動改變頻率的方法逐點測量完成的，后來按照這種方法設計了專門的掃描儀用于頻率特性的測量。最早的頻譜分析儀大都采用分立元件來實現各種功能，所以體積大、設備重、故障率高、操作復雜、價格昂貴，有的只能測試幅頻特性，且精度不高。

隨著頻率合成技術及微電子技術的發展，頻率特性測試儀也得到改進，掃頻源采用數字量進行控制，數字化信號源可以彌補分立元件的不足，測量部分也進行了數字化的改進。目前，常用的頻譜分析儀大概可分為兩類：第一類為掃頻類頻譜分析儀;另一種是實時頻譜分析儀。

掃頻式頻譜分析儀需要用不同的電路模塊進行峰值檢測與相位差檢測，加上其他電路模塊后，導致電路復雜，體積較大。隨著現代電子設計技術的發展，掃頻儀作為一種重要的測量儀器，其設計理念也隨之改變，向小型化、數字化、低功耗的現代儀表設計理念發展[2]。直接數字合成（DDS）技術的日益成熟，為頻譜分析儀實現數字化開辟了道路，液晶顯示器技術的成熟使掃頻儀小型化成為可能[3]。針對以上問題，本文依據零中頻正交解調的原理，設計了一套數字化、模塊化的頻譜分析儀實驗裝置，最終實現一套簡易幅頻特性測試實驗系統。

2??? 幅頻特性測試實驗系統設計

對于系統的分析與設計是硬件電路設計必不可少的一部分。系統分析的主要目的是根據要求的設計指標，確定系統的組成部分和元器件參數;明確系統組成是后續對系統模塊設計的基礎。全面細致的分析計算是系統模塊正常工作的保證，每個模塊、每個部分都能夠正常工作才能保證整個系統有正常工作的可能。

2.1??? 系統框圖及分析與設計

為了實現高測量精度的模塊化幅頻特性測量實驗系統，同時實現其可視化，可拓展化等功能，設計了如圖1所示的系統框圖。

系統由主控單片機控制DDS芯片產生兩路正交掃頻信號，其中一路信號通過特定待測網絡后，分別與兩路基準信號混頻，混頻后的信號再經低通濾波后得到成分相同的兩路正交直流信號。信號傳遞到單片機，經過單片機內置ADC（模擬數字轉換器）采樣和數據處理，計算出當前頻率信號的幅度與相位，最后由示波器或者顯示器顯示待測網絡的幅頻特性曲線與相頻特性曲線。

硬件系統包括以下幾個部分。

（1）信號發生模塊，該部分電路主要由DDS芯片AD9854及其外圍電路組成，用于差生兩路正交信號。

（2）正交解調模塊，也即零中頻解調電路，該部分主要由電壓跟隨器、模擬乘法器和低通濾波器組成，主要對前級信號進行處理。

（3）顯示模塊。由一塊觸摸屏組成，將在該屏幕上完成對系統命令的輸入和曲線的顯示。

（4）主控單片機。使用其內置A/D對處理之后的信號進行采集并完成數據處理工作。除此之外，單片機還負責對整體系統的控制，如對顯示屏幕的控制。

2.2??? 信號發生電路的分析與設計

本系統的兩路正交掃頻信號是由DDS芯片AD9854產生的，該芯片采用先進的DDS技術，結構圖如圖2所示。

在DDS應用中，主振頻率一般為幾十兆赫茲到幾百兆赫茲，而輸出正弦波的最大值可以達到主振頻率的1/4到1/2，也就是說，最大頻率與主振頻率較為接近。在這種情況下，想要濾除主振頻率同時最大保留輸出的正弦信號，只能由過渡帶比非常小，接近1的橢圓濾波器完成。圖3為本電路使用的橢圓濾波器。

圖4是使用TINA-TI仿真軟件對上述濾波器電路的仿真結果，得到的濾波器0～500 MHz范圍內的幅頻特性曲線與相頻特性曲線。從結果可看出，信號在DDS系統主振頻率300 MHz得到極大的衰減，對輸出的正弦信號影響極小。圖5和圖6中設定輸出頻率為80 MHz，頻域圖中白線代表基主界面波和DAC圖像，粉線和綠線分別代表二次諧波和三次諧波，橙色線為PPT spur。圖7、圖8為后接截止頻率為100 MHz、七階butterworth型的低通濾波器后的DDS電路輸出的頻域圖和時域圖。由以下的仿真結果可看濾波前濾波后的頻域圖與時域圖可看出七階濾波器的低通濾波器對DDS輸出信號有著極強的平滑作用，對通帶之外的頻率信號有著良好的衰減作用，并有效地抑制了PPT spur等雜散信號。

因為AD9854有效電壓輸出范圍為-0.5 V～1 V，經過七階無源濾波器后會大幅度衰減，為了得到更大幅度信號，本設計在濾波器后增加高速運算放大器THS3091對信號進行放大。高速運算放大器有兩個重要指標——帶寬和壓擺率，其中信號為小信號時，主要考慮增益帶寬積對運算放大器的影響;在大信號通路中，則需主要考慮壓擺率對運算放大器速度的影響。THS3091是一款高電壓、低失真、電流反饋型的運算放大器，具有高達7 300 V/μs的壓擺率，是高電壓任意波形驅動器的理想選擇。同時+/-250 mA的輸出電流使TH3091具備很強的電壓擺幅能力，可用于驅動高電阻和高電容負載，同時保持良好的建立時間性。圖9、圖10為對同相10倍放大的TH3091電路的設計及仿真結果。從仿真結果可看出，放大器通帶增益20 dB左右，3 dB帶寬為200 MHz左右，滿足設計要求。

2.3??? 正交解調電路分析與設計

解調電路的核心混頻器采用ADI公司的模擬乘法器AD835。這是一款電壓輸出四象限乘法器，3 dB帶寬達到250 MHz，且噪聲極低。該乘法器組成基于經典的形式——一個由三個（X，Y，Z）線性化電壓一電流轉換器和負載驅動輸出放大器組成的跨線性核心。

在本設計中采用如圖11所示的基本連接，即為將X2，Y2接地，由X1，Y1的輸入的信號相乘再與Z端輸入的信號相加，最后于W端輸出。

根據前述原理，信號經過混頻器之后是一個帶有直流分量的混頻信號，為了得到含有幅度、相位信息的直流信號，則需對輸出信號進行濾波。由于系統中基本不存在低頻噪聲，本設計選用TI公司的低噪聲、高精度運算放大器OPA227，設計一套截止頻率為幾赫茲的一階低通濾波器，即可完成濾波要求。

2.4??? 系統處理流程設計

本系統的主控單片機采用TI公司的Tiva C系列單片機TM4C123GXL為主控單片機，所有程序代碼均在TI公司代碼編譯軟件Code Compose Studio上完成。

在本設計中，AD9854采用并行的方式與單片機進行通信。圖12即為Tiva單片機與AD9854以及UART屏的連接對應關系，與AD9854以如上并聯方式連接，與UART屏則用串口方式通信。

AD9854一共有五種可編程的工作模式。本設計中采用Ramped FSK（frequency-shift keying，頻移鍵控）的方式工作，在該種工作模式下，頻率控制字F1、F2內分別存放高頻率和低頻率，這種工作模式下FSK的頻率變化不是瞬時的，而是通過頻率掃描實現的。在該模式下既可以實現低頻率到高頻率再到高頻率的線性掃頻，也可以通過改變掃描速度的方式實現非線性掃頻。

本設計中，單片機與AD9854通過并行的方式進行通信，系統軟件部分主要包括系統主函數、中斷服務子程序、AD9854控制程序、鍵盤掃描子程序、畫屏子程序等組成。圖14為簡化后的單片機程序流程圖。

3??? 系統的仿真與測試

3.1??? 系統總體仿真

圖15是對系統的整體的仿真。對信號發生器設置信號源為1 MHz～40 MHz的正交掃頻信號。圖16即為系統測量點VF1處信號在示波器上的顯示情況。信號發生器發出信號為1 MHz～40 MHz的循環掃頻信號，VF1、VF2所得到的信號的一個周期，也就是掃頻范圍內各個頻率所對應的直流偏量組成的曲線。對該兩條曲線進行采樣和數據處理，即可得到幅頻特性曲線與相頻特性曲線。

3.2??? 系統測試

首先是對信號發生電路的測試，本系統中AD9854最高可以產生最高到100 MhZ，且分辨率在1 Hz以下（100 MHz以內信號沒有失真）。DDS是通過改變頻率控制來改變相位累加器的相位累加速度，因此其輸出信號必定含有大量的雜散譜線。橢圓低通濾波器是一種零、極點型濾波器，它在有限頻率范圍內存在傳輸零點和極點。它的通帶和阻帶都具有等波紋特性，因此通帶，阻帶逼近特性良好，且它所需用的階數，過渡帶比較窄。DDS經過橢圓濾波器輸出的兩路正交I，Q信號其相位關系如圖17所示。可以看出兩路信號相差平均值在90°左右，且標準差為600 m左右，可以得出結論兩路信號的相差基本在90°左右小范圍浮動。

前面的測試結果表明DDS模塊產生的兩路正交信號正確，可以用于后面的信號處理電路。接下來分別用頻譜分析儀和本文設計的系統測量待測網絡的幅頻特性曲線，將系統測得的幅頻特性曲線與頻譜分析儀測得的幅頻特性曲線進行比對。圖19和圖20分別使用頻譜分析儀與本文所設計的系統得到的測量結果。測量所用的RLC網絡的中心頻率為15 MHz，DDS信號源的掃頻范圍為1 MHz～40 MHz。

圖20中單個周期內的圖像即為測得的幅頻特性曲線。由以上示波器圖像比對可知，兩種方式測得的幅頻特性曲線基本相同。

4??? 結論

本設計根據正交乘積法測量二端口網絡幅頻特性與相頻特性的原理，以DDS芯片AD9854、乘法器芯片AD835為核心，設計了一套簡易幅頻特性測試系統。本文的主要工作包括兩個方面。

（1）對系統進行分析，按功能將系統大致分為三個部分：以AD9854為核心的信號發生模塊、以AD835 為核心的正交解調模塊、還有用于輸入與顯示的觸摸屏幕模塊。通過分析計算推導，確定各個芯片選型，并使用Tina-TI對各個模塊分別進行仿真。

（2）使用MATLAB對系統的測量原理進行驗證，證明其理論上的可行性;同時系統進行總體仿真，驗證系統實際實現時的可行性。

參考文獻：

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[6] TI.THS309x High-voltage，Low-distortion，Current-feedback Operational Amplifiers [EB/OL]. https：//www.ti.com/lit/ds/symlink/ths3091.pdf？ts=1590289465527.

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[8]李裕.基于零中頻正交解調頻率特性測試儀的設計與實現[D].武漢：華中師范大學，2015.