基于正交解调的频率特性测试仪

【摘要】简易频率特性测试仪分为两部分，正交扫频信号源及正交解调器。本系统以STM32为主控制器，以AD9854芯片为信号发生器来产生两路正交信号。通过键盘使信号实现扫频及点频输出，并可进行信号频率为步进100kHz的调整。信号通过π型衰减网络、乘法器混频、低通滤波器、返回单片机等步骤后，得到被测网络的幅频和相频特性，并进行两种特性曲线的LCD输出。

【关键词】STM32;AD9854;正交解调

随着科学技术的发展，频率特性测试仪大都采用了单片机来采集数据，从而提高了测量精度，但是大多数灵活性不高。为此，本设计主要采用集成的直接数字合成波形技术、正交解调原理及STM32单片机为主控构成的测量电路来设计频率特性测试仪。

1.正交解调技术及AD9854芯片

正交解调。正交解调有许多方法。常用的直接数字混频法是比较理想的解调方法，该方法精度高、误差小，但是硬件电路复杂。本文采用直接乘sin x/cos x法。

AD9854芯片内置两路高速、高性能数字模拟转换器，可以输出两路信号，而且产生的正交信号频率比较稳定，并且相位、幅度可通过灵活的软件编程来进行调整。

2.系统设计

用STM32控制核为AD9854的DDS集成板，从而输出两路相位相差90度的正交信号。将被测网络接入电路，利用π型衰减网络将AD9854输出信号适当衰减，再送入乘法器芯片AD835。这两路波分别与输入信号在各自的环路中进行混频，经低通滤波后将得到的信号返回单片机STM32处理，从而输出被测网络的频率特性。

总体方案确如图1所示：

图1 总体方案图

正交解调是对频率中等的信号进行正交解调的一种方法。将本振信号分成两路，其中一路相移90度后可以得到一信号，该信号与另一路正交。之后对得到的两路信号进行模拟数字转换。而理想的数字微分器幅频特性图像应该是一条直线，该直线通过原点，且斜率为1。通过变换已知数字积分器的传递函数来得到线性频率范围与积分器一致的数字微分器。得到频率响应介于Simpson和Trapezoidal积分器可利用插值法，主要公式为：

其中，a的范围是[0，1]。

通过对a的不同取值，可得到设计二阶数字积分器所需要的一系列不同精度的参数。通过公式也可以看出，可以用一个IIR滤波器来实现同样的数字积分功能。根据实际需要，将a的取值增大，可以设计出高性能二阶数字微分器。最后考虑模数转换电路。该电路需要考虑一下条件：分辨率为100kHz，根据下式：

所以最小位数为9位，而为了给精度指标留有余地，ADC芯片我们选择STM32自带的12位ADC（允许的最大频率为14MHz）。

3.电路设计

（1）滤波器的设计

采用LMH6643芯片来设计二阶有源低通滤波器。LMH6643是一种高速运放芯片，具有低功耗的特点，并且性价比比较高。输出正交信号频率范围为1MHz到40MHz，滤波器的作用是得到直流分量，且经过乘法器出来的信号是直流分量加输入信号的2倍频，输入最小频率为1M，所以设计的滤波器截止频率小于2M就能可将直流滤出，所以将滤波器的截止频率设置为小于等于2MHz。

（2）衰减器的设计

AD835对小信号做乘法精度较高，所以利用衰减器将DDS输出信号进行适当衰减，然后放大小信号，再送入乘法器。本次设计我们选择的衰减网络为π型网络。由于AD9854产生的信号幅度峰值在5V左右，而输入AD835的信号幅值限制为1V，所以信号衰减：

输入阻抗50Ω，增益12dB可求得：

，

4.误差分析

本设计得到的电压增益不满足>>1dB，原因分析：LC电路在串联谐振点上的电压大小相等、相位相反，电路为纯电阻电路。此时输入交流量后产生一定的功率损耗，导致电压衰减严重。

5.结语

本文通过对正交解调及硬件电路的原理分析，设计了频率特性测试仪，实现扫频及点频输出，同时将幅频特性和相频特性曲线清晰地显示在液晶屏上。电压增益0.1dB，相移0.1o。该系统缩小了仪器的体积和重量，降低了成本，而且系统提供了丰富的借口，方便用户的使用。但是系统还有值得改进的地方，电压增益由于电容电感的交流功率损耗而减少，这种情况是难以避免的，在硬件上可以通过加放大器进行可预见放大来解决这个问题。

参考文献

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