一种频率特性测试仪的实现

【摘要】 文章介绍了一种运用正交解调原理，实现频率特性测试仪的方法。以51单片机来控制AD9854 ， 产生两路频率范围为1MHz～40MHz且频率可设置的信号，两路信号正交（相角差90度）。其中一路信号通过待测网络，分别与原来的正交信号相混频。经过低通滤波器，产生两路I和Q信号，经过AD采样，单片机设计算法进行计算，得到待测网络的幅度和相位相应的特性。并通过显示系统进行显示。

【关键词】 扫频信号 频率特性

一、理论分析与计算

1、系统原理

单片机控制DDS模块（AD9854）来产生各点频和扫频信号。但是产生出来的信号一般幅值较低，所以还要经过稳幅放大过程。然后将其中一路信号通过被测网络，从被测网络输出后再分别与两路正交信号混频，之后再分别通过低通滤波，及AD转换，将其结果通到显示模块上显示出被测网络的幅频特性和相频特性。

2、信号源产生部分

可以考虑用分离元件搭出VCO电路来产生所要求的正交信号，VCO电路是通过电压来控制产生信号的频率的。所以可用来产生各点频和扫频信号，其正交信号可通过一个90度移向网络来实现。方案虽然可以实现，但是电路复杂，易出现不稳定的情况，而且其频率调节不能数字控制，电路之间也容易产生较大的干扰。利用单片机或者FPGA控制AD9851来产生想要的波形。该方法优势明显，加入单片机或者FPGA后，可以实现数字键控，可以通过键盘来输入想要的频率点或选择扫频信号，其正交信号也可以通过软件编写来控制另一个DDS模块产生。其不足之处在于产生的正交信号较难保持90度的稳定相差，这是由于器件本身原因造成的。如果DDS模块使用AD9854来实现，能够确保两路信号正交，只需再将输出信号稳幅放大。

3、放大稳幅模块

通过负反馈实现自动增益控制（AGC）。使用AD603来实现，该方案可以采用数字方式，即通过单片机在输出端口采样计算，产生负反馈，也可以 在其输出后级直接增加反馈电路，采用模拟方法实现自动增益控制（AGC）。

4、混频部分

乘法器可以采用芯片MC1496来实现。但是电路过于复杂，实验显示其输出的载波频率较高，噪声也比较大。而芯片AD835用于混频时，其电路简单，管脚较少，输出干扰较小。输入幅值范围是-1～+1V。

5、滤波器设计

低通滤波部分采用MAX295芯片来实现。MAX295是8阶的巴特沃斯低通滤波器，具有最大的通带平坦度，其3dB截止频率范围为0.1Hz～50KHz。5脚即为输出口。其时钟对3dB截止频率的的比为50：1，所以其时钟最大可到2.5MHz。

6、ADC设计

为了提高转换精度，采用AD574作为ADC转换芯片。AD574A是美国模拟数字公司推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。其分辨率为12位。为了节省单片机端口，采用一个ADC加电子开关的方法来实现两个ADC的功能，可以节省一半的单片机端口。将单片机的一端口作为控制端，高电平时传输I路信号，低电平时传输Q路信号，这样可以让两路信号公用一组并行数据口。

二、测试方案和测试结果

频率可设置，采取了数字键控的方法，可以手动输入一个频率值，也可以手动输入扫频信号的起始值、步进以及终止值，这样就达到了频率可设置，可进行扫频，扫频范围和步进可调的条件。DDS芯片AD9854能产生严格的正交信号，经示波器实际观测相位误差小于5°。一次扫频小于2s。经测量数据如下：1MHz：1.06V 1.04V；5MHz：1.06V，1.04V；10MHz：1.06V，1.01V；40MHz：1.02V，1.18V。一次扫频用时：1.6s（泰克60M示波器测量）。

该系统较为完整的实现了简易频率特性测试仪，包括基础部分和提高部分。在制作过程中遇到很多问题，例如阻抗匹配，噪声，输出相位浮动问题。通过加粗地线，添加磁珠有效的降低了噪声。使用9851很难使相位稳定相差90度，改用同一晶振能基本同步，但是也会偶尔发生跳变，故使用9854代替，较好输出正交信号。并且在提高部分较大的提高了精度。