随着现代电子技术的飞速发展，频率特性测试仪作为现代电子测量领域的一种重要工具，其设计理念也在不断地革新。频率特性测试仪是一种测试网络或者电路的频率特性的仪器，又称扫频仪;可以用来测量信号传输网络、信号放大电路及滤波电路等双端口网络的幅频特性与相频特性。由于在传统的扫频仪设计方法中，被测网络幅频特性与相频特性的获取，需要通过不同的电路模块分别进行峰值检测与相位差测量，导致其系统由多个模块构成，电路复杂且体积较大。因此本文设计了一种新的频率特性测试仪，其采用直接频率合成(DDS)芯片AD9854产生正交扫频信号，并以低功耗单片机STM32作为任务控制与数据处理的核心部件。
1.总体方案
该频率特性测试仪的设计基于零中频正交解调原理，系统的总体结构如图1所示。
图1 系统总体结构
设计采用DDS集成芯片AD9854产生正交扫频信号，该芯片内部整合了两路高速、高性能正交D/A转换器，通过数字化编程即可输出I、Q两路合成信号。将这两路信号分别通过七阶椭圆低通滤波器LBP1进行整形，然后通过放大隔直电路，获得幅度满足要求的正交信号，再对被测双端口网络进行基于正交解调原理的扫频测量。
设通过放大隔直电路后，该正交信号的同相分量u1=A1cosωt，正交分量uQ=A1sinωt。设被测网络的电压转移函数()，那么同相分量u1通过被测网络后获得的稳态响应电压：
假设模拟乘法器增益系数为K，则经过模拟乘法器后，同相分量支路的输出为：
正交分量支路的输出为：
经低通滤波器LBP2，滤掉各支路信号中的和频分量，假设低通滤波器的通带内增益为B，则滤波后同相分量与正交分量分别为：
I、Q两路信号经ADC采样后，在STM32中进行数据处理，通过计算可得相移与电压增益分别为：
设计中使乘法器增益系数、正交信号振幅的平方A1²与低通滤波LBP2通带内增益三者之积为2，可以很方便地计算出Av。针对点频输入信号，利用式(5)、(6)可以获得该频率信号通过被测网络的电压增益和相移，而针对扫频输入信号，则可以获得被测网络的幅频特性和相频特性曲线。
图1中加法电路的作用是进行电平调整，为后续的ADC数据采集提供合适的信号电压，本设计采用STM32片内ADC进行模/数转换，其电压测量范围为0.0～3.3V。I、Q两支路信号通过模拟乘法器和低通滤波后，获得信号电压的范围为﹣1.0～+1.0v，因此需经加法电路抬高其电平，使其满足采样要求。AD转换后，应用STM32对数据进行处理，并通过LCD显示幅频和相频特性。
2.硬件电路
2.1正交扫频信号产生电路
采用数字频率合成芯片AD9854产生扫频信号，该芯片在高稳定度时钟的驱动下，可产生频率、相位、幅度可编程的正、余弦信号，其允许输出的信号频率高达150MHz。笔者对AD9854外围电路的设计如图2所示。AD9854的参考时钟引脚69连接30MHz有源晶振，通过程序设置片内锁相环，对其进行10倍频，可获得300MHz的系统时钟。
图2 正交扫频信号产生电路
AD9854芯片内部带有两个高速的正交DAC，可同时输出I、Q两路正交信号，两DAC输出通过相位补偿互相影响，保持90°的相位差。AD9854的I、Q两路DAC满量程输出电流的幅度由第56引脚连接的电阻RSET控制，RSET的阻值计算公式如下：
其中，IOUT为DAC满量程输出电流的振幅，该参数需合理设置，以使正交DAC获得最佳的窄带无杂散动态范围。本设计中RSET电阻取3.9kΩ，则IOUT为10mA。图2中，I、Q两路连接输出电阻R5、R6均为50Ω，则DDS输出最大电压幅值为500mV。
I、Q两路DAC的正交信号输出端IOUT1、IOUT2需接低通滤波器，笔者设计了七阶椭圆低通滤波器，该滤波器过渡带下降迅速，其截止频率为100MHz，通带波纹则为0.05dB，阻带最小衰减为50dB。该椭圆滤波器主要用于平滑信号，同时滤除高频干扰和DDS谐波杂散信号。
2.2STM32与AD9854接口电路
采用低功耗单片机STM32F103作为任务控制核心，其与AD9854的接口电路如图3所示。STM32F103是一款基于ARM CortexTM-M3内核的32位标准RISC处理器，具有32位硬件除法器和单周期乘法器，具有强大的数据处理和运算能力，满足本设计中关于数据处理部分的要求。且其I/O端口丰富，还具有3个12位的ADC，便于数据采集。同时该芯片采用3.3V单电源供电，可直接对AD9854的引脚进行读/写操作，无需额外的电平转换电路，简化了硬件设计。
图3 STM32与AD9854的硬件连接
STM32F103与AD9854之间采用并行通信方式，AD9854的八位双向并行编程数据输入端口D[7：0]与STM32F103的PC口低8位相接，AD9854的六位并行地址总线输入引脚A[5：0]与STM32F103的PC[13：8]相接。AD9854内部设有40个8位寄存器，地址范围为00H～27H，用于存储控制字与状态字。通过向这些内部寄存器写人数据，可以实现对AD9854的工作控制，包括工作模式、输出信号频率、相位及幅度等。AD9854的控制字可通过STM32设定寄存器地址A[5：0]和数值D[7：0]，在WR信号的下降沿和上升沿写入。
2.3模拟乘法器电路
乘法电路设计采用高速模拟乘法器AD835，它是一款完备的四象限电压输出模拟乘法器，3dB带宽达到250MHz，且乘积噪声低，其外围电路设计如图4所示。AD835的输入电压范围为﹣1.0～+1.0V，具有两个差分输入端，分别为X1、X2和Y1、Y2，设计中将差分输入的一端接地，另一端接乘法信号。该芯片将X、Y两个输入信号相乘后与Z引脚输入电压相加，再经放大电路，由W引脚输出。为保证AD835乘法器的乘性系数K=1，R1、R2的接法如图4所示。调整R2，使R1/R2=20，此时乘法器的输出W=XY+Z，将Z端接地，只进行乘法运算，则最终输出W=XY。设计中为了保证输入AD835的信号X、Y满足幅值要求并且不包含直流分量，在低通滤波器LBP1后，增加一级由超高速运放AD8009构成的同相比例放大器，并采用隔直电容去除信号中的直流分量。
图4 模拟乘法器外围电路
2.4二阶有源低通滤波器
低通滤波器LBP2采用二阶有源低通滤波器，该滤波器的作用是滤掉正交调制过程中产生的频率为2ω的信号分量。设扫频时间为Ts，共扫描N个频点，则扫描每个频点的时间为Ts/N，选取4倍时间常数，低通滤波器的截止频率fo=4N/Ts，本设计中扫频时间Ts取2s，频点数最大取500，计算得fc为1kHz。为保证余量，设计中选取截止频率fc=2kHz。笔者采用精密运算放大器0P27设计二阶Butterworth低通滤波器，电路的拓扑结构采用Sallen-Key结构，且电压增益为2。
3.软件部分
系统的软件部分主要包括系统主程序、键盘扫描子程序、AD9854控制子程序、模/数转换子程序及液晶显示子程序等。主程序首先进行系统初始化，配置STM32的GPIO端口，初始化LCD、AD9854和片内ADC，然后等待按键输入，进行测量模式选择。模/数转换子程序对片内ADC进行配置，并实现点频、扫频测量数据采集存储和多次采样确认。液晶显示子程序完成幅频、相频特性的显示、清屏及字符显示等功能。AD9854控制子程序完成DDS芯片工作模式选择、正交扫频信号频率设置及扫频信号振幅设置等功能。软件主程序流程如图5所示。
图5 主程序流程
限于篇幅，只列出关于AD9854工作模式设置和正交信号幅度、频率设置的部分程序代码：
//设置AD9854工作模式选择为single—tone，对参考时钟进行10倍频，由PIN20引脚外部刷新频率
unsigned cha rmodel[4]={0x00，0x4A，0x00，0x60};
//默认初始频率1MHz，频率字FW根据公式fOUT=(fSYSCLK×FW)/2N计算得出
unsigned char freq[6]={0x00，0xDA，0x74，0x0D，0xA7，0x41};//信号频率控制字
unsigned char signalAM1[2]={0xFf，0Xff};//信号幅度控制字
unsigned char signalAM2[2]={0XFf，0Xff};//信号幅度控制字
AD9854一Reset();
AD9854一SetSpecialWord(mode1);//设置AD9854的工作模式
AD9854一SetOutkeyI(signalAM1);//设置1支路信号振幅
AD9854一SetOutkeyQ(signalAM2);//设置Q支路信号振幅
AD9854一SetFreql(freq);//设置正交信号频率
AD9854一IOUpdate();//频率刷新
其中调用的部分子程序如下：
结束语
本文总结了采用AD9854与STM32设计的频率特性测试仪，该测试仪可以进行点频测量和1～50MHz的扫频测量，可以手动预置测频范围和步进频率，并在320×240彩色液晶屏上显示幅频特性和相频特性曲线。系统界面友好，工作稳定。本设计基本实现了数字化，并满足低功耗的要求。由于扫频测量法是一种稳态测量方法，它需要等到被测网络输出达到稳态后才能测量。因此本设计中并没有设置太快的扫频测量速度，并且在STM32发送频率控制字与获取ADC采样转换值之间进行了适当的延时。否则如果被测网络响应建立时间长，而扫频测量速度太快，会形成建立误差，使测得的特性曲线畸变失真。
