一种数字频率特性测试仪的设计

文章编号：１６７４?７０７０（２０１５）０２?０１３７?０５孟瑞丽１一宋安１一张宏群１一尤天羽１一刘恒

１一种数字频率特性测试仪的设计

摘要

设计了一种基于正交调制原理的数

字频率特性测试仪，系统用稳态响应法

测量电路的频率特性．单片机作为主控

芯片，完成系统的总体控制及数字信号

处理；使用集成的直接数字频率合成芯

片输出全频率范围内的正弦波．系统对

待测电路的输入信号及其输出响应采

样，经数字信号处理后，获得电路的幅频

特性和相频特性．设计的测试仪测某ＲＬＣ网络，中心频率的相对误差小于０ ２％，有载品质因数相对误差小于１ ２５％，最大电压增益大于－１ｄＢ．频率特性测试仪输入输出阻抗均为５０Ω，幅频

误差绝对值小于０ ５ｄＢ，相频误差绝对

值小于３?，测试仪能满足微机械谐振传

感器特征参数测试需求．

关键词

直接数字频率合成（ＤＤＳ）；正交；幅

频曲线；相频曲线

中图分类号ＴＮ９１１ ２３

文献标志码Ａ

收稿日期２０１４?０２?１５

资助项目江苏省自然科学基金（ＢＫ２０１３１００１）；江苏省高校自然科学研究基金（１３ＫＪＢ５１００１７）；制造过程测试技术?省部共建教育部重点实验室开放基金（１４ＺＸＺＫ０２）

作者简介

孟瑞丽，女，硕士生，主要研究微机械谐振传感器设计及测试．ｇｈｏｓｔ８０ｂｏｙ＠１６３．ｃｏｍ张宏群（通信作者），女，副教授，硕士生导师，研究方向为通用和专用自动测试系统二虚拟仪器的开发设计和应用，数字化通用电子测量仪器系统及高性能测试仪系列产品的开发设计．００１３６０＠ｎｕｉｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

１南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京，２１００４４０一引言

一一基于硅微机械加工技术制造的，具有力学谐振频率的微谐振式传感器是一类非常重要的传感器．它通过检测其机械谐振器谐振频率的变化来实现外部物理量的测量，特点是尺寸小二制作成本低廉二功耗小，易与数字电路接口，具有广阔的应用前景．同时，微谐振式传感器的重复性二分辨率和稳定性非常优良，它适于测量多种物理量，如压力二真空度二角速度二加速度二流量二大气电场强度等［１］．微机械谐振式传感器的品质因数和谐振频率的确定可以为后续的测控电路参数的选定提供重要依据［２?３］，而微机械谐振式传感器又可以等效为一个ＲＬＣ串联网络［４?５］，通过扫频测试可以获得品质因数和谐振频率．目前，谐振频率和品质因数的测试主要采用电学和光学两种测试方法，光学测试中需要利用显微镜和计算机视觉辅助仪器，电学测试一般采用动态信号分析仪器，通过频率扫描来测定幅频和相频曲线，进而确定品质因数和谐振频率．由于实验经费的限制，本文介绍了一种基于正交调制原理的数字频率特性测试仪设计，价格低廉二操作简单．设计研制的频率特性分析仪通过测试某ＲＬＣ网络，获得了较好的精度，能够应用于微机械谐振传感器品质因数和谐振频率特征参数的测量．１一基于正交的频率特性仪设计原理

设计的一种数字频率特性测试仪由正交信号源采用直接数字频率合成（ＤＤＳ）芯片ＡＤ９８５４二自动增益控制芯片ＡＤ６０３二模拟乘法器ＡＤ８３５二有源二阶低通滤波器（ＬＰＦ）二主控芯片ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机二晶体管显示屏（ＴＦＴ）矩阵按键等组成．

其中主控芯片ＭＳＰ４３０Ｆ１４９控制ＡＤ９８５４产生两路正交正余弦电压信号，产生的信号频率和变换方式由单片机写入ＡＤ９８５４储存器的控制字来实现．产生的Ｉ二Ｑ两路正交信号经过自动增益放大，其中放大后的Ｉ路电压信号一支路通过被测量的ＲＬＣ（电阻?电感?电容）网络，ＲＬＣ网络出来的信号同时进入Ｉ二Ｑ两路的模拟乘法器，两路模拟乘法器将自动增益放大器出来的信号与网络出来的信号混频，前向信号通道示意如图１所示．正交信号指相位相差９０?的两路信号，由正交信号源直接产生的两路正交信号：Ｉ＝Ａｃｏｓ（ωｔ），Ｑ＝Ａｓｉｎ（ωｔ），其中，Ａ是信号的电压幅值，ω是信号的角频率，受单片机控制．经自动增益控制后，实现稳幅输出及电压放大，其中一路经被测网络后产生电压信号：一一一一