简易频率特性测试仪教案.docxVIP

简易频率特性测试仪（E题）2013年全国电子设计大赛摘要：本频率特性测试仪由AD9854为DDS频率合成器，MSP430为主控制器，根据零中频正交解调原理对被测网络针对频率特性进行扫描测量，将DDS输出的正弦信号输入被测网络，将被测网络的出口信号分别与DDS输出的两路正交信号通过模拟乘法器进行乘法混频，通过低通滤波器取得含有幅频特性与相频特性的直流分量，由高精度A/D转换器传递给MSP430主控器，由MSP430对所测数据进行分析处理，最终测得目标网络的幅频特性与相频特性，同时通过LCD绘制相应的特性曲线，从而完成对目标网络的特性测试。本系统具有低功耗，成本低廉，控制方便，人机交互友好，工作性能稳定等特点，不失为简易频率特性测试仪的一种优越方案。关键字：DDS9854，MSP430，频率特性测试目录一、设计目标41、基本要求：42、发挥部分：4二、系统方案4方案一5方案三5方案二5三、控制方法及显示方案5四、系统总体框图6五、电路设计71、DDS模块设计72、DDS输出放大电路73、RLC被测网络84、乘法器电路85、AD模数转换9六、软件方案10七、测试情况111、测试仪器112、DDS频率合成输出信号：113、RLC被测网络测试结果124、频谱特性测试12八、总结12九、参考文献12十、附录13一、设计目标根据零中频正交解调原理，设计并制作一个双端口网络频率特性测试仪，包括幅频特性和相频特性。1、基本要求：制作一个正交扫频信号源。（1）频率范围为1MHz~40MHz，频率稳定度≤10-4；频率可设置，最小设置单位100kHz。（2）正交信号相位差误差的绝对值≤5o，幅度平衡误差的绝对值≤5%。（3）信号电压的峰峰值≥1V，幅度平坦度≤5%。（4）可扫频输出，扫频范围及频率步进值可设置，最小步进100kHz；要求连续扫频输出，一次扫频时间≤2s。2、发挥部分：（1）使用基本要求中完成的正交扫频信号源，制作频率特性测试仪。a.输入阻抗为 50?，输出阻抗为 50?；b.可进行点频测量；幅频测量误差的绝对值≤0.5dB，相频测量误差的绝对值≤5o；数据显示的分辨率：电压增益 0.1dB，相移 0.1o。（2）制作一个RLC串联谐振电路作为被测网络，其中Ri和Ro分别为频率特性测试仪的输入阻抗和输出阻抗；制作的频率特性测试仪可对其进行线性扫频测量。a.要求被测网络通带中心频率为 20MHz，误差的绝对值≤5%；有载品质因数为 4，误差的绝对值≤5%；有载最大电压增益≥ -1dB；b.扫频测量制作的被测网络，显示其中心频率和-3dB 带宽，频率数据显示的分辨率为 100kHz；c.扫频测量并显示幅频特性曲线和相频特性曲线，要求具有电压增益、相移和频率坐标刻度。幅频特性曲线的纵坐标为电压增益（dB）；相频特性曲线的纵坐标为相移（o）；特性曲线的横坐标均为线性频率（Hz）。发挥部分中，一次线性扫频测量完成时间≤30s。（3）其他。二、系统方案图1 系统方案方案一方案一对DA的转换速率要求过高，市售DA速率根本无法达到题目要求，对主控芯片主频及驱动时钟频率要求过高，而且成本较高，故放弃方案一。方案三方案三中虽然采用DDS9854做信号源，想法较好，通过数字处理可以得到更好的结果，但考虑到信号最高频率达到40M，为保证奈奎斯特采样定律，至少应使用80M采样率的AD，考虑到高速AD价格不菲，所以不宜采用方案三。方案二综合考虑，方案二成本较低，且效果较好，前期通过模拟电路处理，最后通过低速AD送入单片机处理即可完成题目要求，整个方案保持低成本、低功耗，工作性能稳定，故选方案二。三、控制方法及显示方案对DDS9854定性分析并设计外围电路制作PCB板，可以实现峰峰值200~400mV两路正交信号输出。为满足输出信号峰峰值在1V以上，我们采用THS3001高速运放搭建宽带放大器连接在9854输出端，提供6.1倍增益。同时为满足正交信号相位误差和幅度平衡误差要求，两路宽带放大器电路应尽可能相同。另外为满足1~40MHz输出信号幅度平坦度在5%以内，宽带放大器应具有尽可能平坦的通带增益。利用MSP430单片机对DDS9854进行控制，并通过12864液晶屏显示菜单交互界面，满足直接设置频率、连续扫频输出、可调节步进输出等题目要求功能。发挥部分中，设两路正交信号分别为V1=Acosωt与V2=Asinωt，且余弦信号经过待测网络后变为Vx=ABcos(ωt+φ)。计算可知：V1Vx=1 2A2Bcos(2ωt+φ)+1 2A2BcosφV2Vx=1 2A2Bsin(2ωt+φ)-1 2A2Bsinφ因此，如果将相乘所得信号经过低通滤波器滤出直流分量I=1 2A2Bcosφ和Q=-1 2A2Bsinφ，则可以计算出1 2A2B=√(I2+Q2)，φ=-ar