全国大学生电子设计竞赛e题：简易频率特性测试仪.doc

2013年全国大学生电子设计竞赛 简易频率特性测试仪（E题） 【本科组】 2013年9月7日简易频率特性测试仪 摘要：本系统以STM32控制器为核心，采用DDS芯片AD9854产生稳定的正交信号源，通过正交调制的方式完成对被测网络的幅频和相频特性测量，能够实现对被测网络的点频和线性扫频测量，测试结果表明，本设计能够实现在1M40MHz频率范围内，对被测网络频率特性的测试，其幅度，相位精度度。 关键字：正交调制、频率特性、DDS 1方案论证 1.1扫频信号源1.2特性曲线显示 1 2理论分析与计算 1 2.1系统原理 1 2.2 DDS参数设计 2 2.3低通滤波器设计 2 2.4 ADC设计 2 2.5被测网络设计 2 2.6 特性曲线显示 3 3电路与程序设计 3 3.1 DDS电路设计 3 3.2乘法器电路设计 3 3.3滤波器设计 4 3.4程序设计 4 4测试方案与测试结果 5 4.1测试仪器 5 4.2测试方案 5 4.2.1正交信号源的测试 5 4.2.2发挥部分的测试 5 4.3测试结果 5 5总结 6 参考文献 6 一、方案论证 1.1 扫频信号源 　 题目要求采用零中频正交解调方案完成频率特性测试，需要在1M40MHz频率范围内产生频率可调的正弦信号。要求在整个频率范围内具有很好的平坦度、稳定度和正交性的扫频信号源的这些指标是整个扫频仪的关键。 方案一：采用可编程器件产生扫频信号 利用可编程器件实现直接数字频率合成(DDS)，采用这种纯数字化的方法，产生信号的频率准确，频率分辨率高产生正交信号源，但需要外接DAC和滤波电路，难以在题目要求的频带内做到完全正交。 方案二：采用专用的DDS集成芯片 专用的集成DDS芯片具有外围器件很少，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控的特点，根据题目要求选用AD公司生产的一款DDS芯片AD9854，它的最高时钟为300MHz具有相对带宽宽，转换时间极短、频率分辨率高、功耗低等优点。因此，我们选择DDS芯片AD9854来产生1MHZ～40MHZ的正弦波。1.2 特性曲线显示 本题具有点频和扫频曲线显示功能，为能够正确稳定的显示待测网络的频率特性，可以采用模拟和数字方式显示。 方案一：方案一： 二、理论分析与计算 2.1系统原理 系统整体框图如图1所示，由扫频源提供正交的信号源，其中一路经过被测网络，再与乘法器相乘后，经过低通滤波，滤除高频分量，分别得到低通的I，Q信号如式（1)、(2）所示。由式(3)、(4)式可得到被测网络的幅度特性和相频特性。 图1 系统原理框图 （1） （2） （3） （4） 2.2 DDS参数设计 题目要求输出电压峰峰值大于等于1V，输出高频率为40MHz。在计算取值时，设定AD9854的参考电阻为3.9K，使其最大输出电流为10mA，此时输出电阻51Ω，DDS输出峰峰值为510mV，在经过电流反馈型宽放THS3095的两倍放大，使其输出峰峰值大于1V满足题目要求。DDS的时钟为256MHz，输出为40MHz的正弦波不是很平滑，会影响精度，所以需要低通滤波，其截至频率在100MHz。 2.3低通滤波器设计 低通滤波器滤掉正交调制中的频率为2的和频信号，而频率范围，扫频时间为Tc，一共扫描N个频点，每个频点的时间为Tc/N，选取5倍时间常数，则低通滤波器截止频率为fc由式(5)决定。 (5) 本设计中扫频步进取100KHz，,Tc=2s则N=390，则fc=975Hz，为保证余量，本电路 2.4 ADC设计 I、Q通道平衡对测量仪的精度至关重要，为保证正交平衡，DDS后的放大和滤波电路保证完全相同的电路，参数元件一直，PCB走线一致，由于扫频时间2S,步进为100K,整个频率范围内需要391个频点，对采用速率要求不高，我们选用STM32的片内AD，使用能够轻松达到12bit的精度，满足系统幅度0.5dB波动的测量要求。 2.5 被测网络设计 被测网络为LC串联谐振网络，中心频率，有载品质因素，为5MHz，L采用色码电感，其自身QL值远大于有载品质因素，故电感自身损耗可忽略。，由式可得电感取值 (6) (7) 取,