2013年简易频率特性测试仪设计报告

简易频率特性测试仪设计报告2013年全国电子设计大赛（E题）

怀化学院

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 (4)

1、基本要求： (4)

2、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 (6)

1、DDS模块设计 (6)

2、DDS输出放大电路 (7)

3、RLC被测网络 (8)

4、乘法器电路 (8)

5、AD模数转换 (9)

六、软件方案 (10)

七、测试情况 (11)

1、测试仪器 (11)

2、DDS频率合成输出信号： (11)

3、RLC被测网络测试结果 (12)

4、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V x=ABcos(ωt+φ)。计算可知：

V1V x=1/2A2Bcos(2ωt+φ)+1/2A2Bcosφ

V2V x=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=-arctan(Q/I)，由此可以得出频率f=ω/2π处待测网络的幅频与相频响应。在扫频模式下，每隔100KHz记录下一个频率点的响应，即可绘出待测网络的幅频与相频曲线。

在实际设计中，我们先将余弦信号送入被测网络，网络输出分为两路，分别与原正弦、余弦信号利用AD835高速模拟乘法器相乘。将此时两路输出信号各自经过低通滤波滤出直流分量。由于乘法器所得直流分量较小，约20~50mV，因此我们在低通滤波器之后加入了由低失调电压运放OP27搭建的放大器，将直流信号放大到200~500mV。此时信号需要经过AD转换送入单片机进行处理，我们打算采用高精度AD TLC2543完成。由于TLC2543只支持单极性输入，而I与Q极性无法事先确定，所以我们在AD转换之前加入了由LM385电压基准和AD817组成的加法器模块提供2.5V偏置。数字信号送入单片机后，由单片机分析数据得到直流信号中包含的频率与相位信息，通过320×240分辨率的TFT彩屏分两屏绘制出被测网络的幅频相频曲线。

四、系统总体框图

图2 系统总体框图

五、电路设计

1、DDS模块设计

DDS模块的设计是本系统的重点。DDS模块主要是围绕芯片AD9854进行设计的，设计要求既要满足性能指标，还要求优化电路，减小电路面积，改进布

线布局，否则造成输出不稳将使得后续方案无法继续进行。下面先介绍AD9854的基本特性。

如图所示，AD9854内部包括一个具有48位相位累加器、一个可编程时钟倍频器、一个反sinc滤波器、两个12位300MHz DAC，一个高速模拟比较器以及接口逻辑电路。

式

参考时

钟输入

Ｄ更新

读信号

写信号

行选择复位源地比较

器输入模拟

信号输出模拟

信号输出比较

器输出

图3 AD9854功能结构框图

其主要性能特点如下：

1) 高达300MHz的系统时钟；

2) 能输出一般调制信号，FSK，BPSK，PSK，CHIRP，AM等；

3) 100MHz时具有80dB的信噪比；

4) 内部有4×到20×的可编程时钟倍频器；两个48位频率控制字寄存器，

能够实现很高的频率分辨率。两个14位相位偏置寄存器，提供初始相

位设置。

5) 带有100MHz的8位并行数据传输口或10MHz的串行数据传输口。

2、DDS输出放大电路

前端放大用宽带放大器THS3001，放大6.1倍，为满足输入输出端阻抗匹配以及仪器输出阻抗要求，需要在输入、输出端接入50Ω电阻，如图所示，两路信号均进入放大器。

图4 THS3001放大电路

3、RLC被测网络

放大器输出余弦信号分为两路，一路进入待测网络，待测网络如图

图5 RLC待测网络

其中R约为0，R o为放大器输出阻抗50欧，R i也为50欧，为后级电路的输入电阻。中心频率f0=1/(2π√LC)，品质因数Q=(1/R)√(L/C)。经理论计算，L取3.51uH，C取18pF，实验得中心频率为20.08MHz，最大增益为-0.48dB，满足题目要求。

4、乘法器电路

图6 AD835电路

采用高速模拟乘法器AD835，其基本传递函数为W=XY+Z。实验中将X2、Y2、Z接地，即可实现乘法功能。由于频率较高，乘法器电源不仅需要电容去耦，还要加入磁珠，以抑制电源线上产生的高频干扰。同时需注意两路乘法器电路尽可能对称，避免其输入输出关系产生差异。

5、AD模数转换

图7 TLC2543电路

如图，为TLC2543 AD转换器连接图，其中CH1为信号输入端，CLK、DATAIN、DATAOUT、CS与MSP430连接，通过串口传输数据，REF+连接至电源电压Vcc，REF-连接至GND。

图8 TLC2543时序图

图示为MCU对TLC2543的操作时序，在CS片选端为低电平的情况下，单片机提供CLK则TLC2543开始工作，在连续十二个时钟期间，单片机写入相应

的控制字，控制单、双极性输出，MSB或LSB前导等数据格式。与此同时，TLC2543与时钟同步输出上一次的12位转换结果。

六、软件方案

本系统中共用到两片MSP430F149，一片用作DDS主控端，通过与AD9854I/O交互，实现题设要求DDS输出各个功能模块，并以液晶屏幕及键盘交互的模式提供友好的人机界面，为使用者提供稳定且便利的用户体验。

另一片MSP430F149位于整个系统的后端，发挥数据处理以及结果显示的作用，通过对被测网络的测量结果分析，绘制出被测网络的幅频及相频特性曲线。

另外，我们知道，扫频过程中，当前扫频频率是数据处理的要素之一，因此DDS端MSP430F149在不断扫频时，通过串口通信协议实时告知数据处理端MSP430F149当前扫频频率，便于后者将获取的特性数据与对应频率一一对应，从而成功将被测网络特性曲线描绘至TFT屏幕。

以下分别为DDS端MSP430F149与数据处理端MSP430F149软件流程图：

图9 DDS主控流程图

图10 MCU显示流程图

七、测试情况

1、测试仪器

直流稳压稳流电源：型号GPD—3303

DDS合成信号发生器：型号EE1461

五位半数字万用表：型号FLUKE8808A

200M数字存储示波器：型号Tektronix TDS2022B

自制简易频谱特性测试仪（含LCD显示频谱特性）高性能射频一体化矢量网络分析仪：型号AV3620A

2、DDS频率合成输出信号：

数据基本满足题目要求。

3、RLC被测网络测试结果

中心频率20.08M,有载最大增益为-0.48dB，有载品质因数为3.83，满足题目要求。

4、频谱特性测试

使用高性能矢量网络分析仪分析所准备的RLC待测网络，记录网络实际频率特性数据；再用自制频率特性仪测量相应数据，记录在同一张表中，分析频率特性测试仪性能。数据如下

基本满足题目要求，幅频显示分辨率0.1dB，相位显示分辨率0.1°，扫频步进100kHz，并能显示出网络中心频率与-3dB带宽，一次扫频时间≤30s。

八、总结

本频率特性测试仪以DDS合成器AD9854为正交扫频信号源，经过AD835高速模拟乘法器进行运算，实现了利用双路正交信号对待测网络幅频、相频响应的测量。经过三个人四天三夜的团结合作，我们的简易频率特性测试仪终于实现了大部分功能，指标基本完成，深深感受到竞赛带给自己的收获，愿竞赛永远维持下去，给更多学子带来收获。

九、参考文献

1.MSP 430单片机原理与应用实例详解（作者：洪利章扬李世宝）

2.电子技术基础（主编：康华光）

3.高频电子线路（主编：张肃文）

4.电子设计教程（主编：黄根春）

十、附录

ADS9854官方评估板原理图