2013年E题简易频率特性测试仪获奖报告国一.doc

简易频率特性测试仪（E题） 摘 要 本系统是基于零中频正交解调原理的简易频率特性测试仪，用于检测被测网络的幅频特性和相频特性。该系统主要包括DDS集成模块，RLC串联谐振电路，乘法器电路，低通滤波器，同相放大器和测量显示模块，其中RLC串联谐振电路作为被测网络。本系统以DDS集成模块为核心，将其产生的正交扫频信号通过被测网络后，经乘法器得到高频信号；这两个信号经过低通滤波、同相放大后得到符合要求的I、Q直流分量；最后通过单片机进行ADC采样、数据处理和液晶显示，得到被测网络的幅频特性和相频特性。本系统在算法上的创新之处是，在测量之初，采用短接被测网络即内测校准的方法减小了系统误差。经最终测试，本系统能很好地完成被测网络的频率特性测试。 1 系统方案 1.1 方案比较与选择 1.1.1扫频信号源 方案一：采用锁相环间接频率合成方案。锁相环频率合成在一定程度上解决了既要求频率稳定精确、又要求频率在较大范围可调的矛盾。但输出频率易受可变频率范围的影响，输出频率相对较窄，不能满足题目1MHz-40MHz的高频要求。 方案二：采用直接数字频率合成（DDS）方案。DDS技术具有输出频率相对较宽，频率转换时间短，频率分辨率高，全数字化结构便于集成，以及相关波形参数（频率、相位、幅度）均可实现程控的优点。采用集成芯片AD9854或FPGA可实现题目对扫频信号源的要求。因此选用方案二。 1.1.2控制平台 方案一：采用FPGA或CPLD进行控制。利用FPGA可以方便地实现DDS信号源，但在液晶屏上显示幅频特性曲线和相频特性曲线较为困难，且FPGA成本较高。 方案二：采用C8051F020单片机进行控制。C8051F020与8051兼容，速度可达25MIPS；它内部有两路ADC，速度分别为100ksps（12位）和500ksps（8位）；它具有4352字节内部数据RAM，64K字节的FLASH存储器，支持在线编程。若选用C8051F020作为扫频仪的控制单元，用其实现产生扫频信号、进行数据采集、处理以及波形显示的功能，能够满足题目要求，且其性价比高。因此选用方案二。 1.1.3低通滤波器 方案一：采用有源滤波。有源滤波在实现滤波的同时可实现增益的调节，但电路较为复杂。 方案二：采用无源滤波。无源滤波电路在实现上更加方便简单。若要实现增益可控，直接在其后面加一个同相比例放大器即可。因此选用方案二。 1.2 方案描述 系统总体框图如图1所示。采用DDS芯片AD9854及C8051F020单片机作为控制单元产生扫频信号，辅以按键控制实现1MHz-40MHz，最小步进100KHz范围内的连续扫频输出和点频测量。RLC串联谐振电路用作被测网络。经AD835乘法器和低通滤波器得到同相分量和正交分量的直流信号，ADC转换送入单片机，在单片机内进行数据处理，计算得到相位和幅度，通过液晶显示幅频特性和相频特性曲线。 图1 系统总体框图 2 理论分析与计算 2.1 系统原理 设正交信号源产生的信号经被测网络后的输出为。 则同相分量支路： （1） 低通滤波后（假设滤波器对幅度的影响为C）： （2） 类似的，得到正交分量支路： （3） 低通滤波后（假设滤波器对幅度的影响为C）： （4） 由（2）式和（4）式，可得相位： （5） 幅度： （6） 2.2 滤波器设计 经乘法器输出的信号如式（1）、（3）所示，需设计低通滤波器，滤除高频分量，留下直流分量。据式（1）、（3）分析，滤波器截止频率低于1MHz即可，但考虑到电路会不可避免地产生其他频率干扰，因此低通滤波器的截止频率越小，滤波效果越好，测量精度越高。 2.3 ADC设计 C8051F020单片机自带有两路ADC，其中ADC0为12位，最高速度100ksps；ADC1为8位，最高速度500ksps。出于精度考虑，两路AD均选用12位的ADC0（即中间进行分时转换实现）。题目要求频率范围为1MHz-40MHz，最小步进100KHz，可连续扫频输出，且一次扫频时间小于等于2s，因此2s内需要ADC采样390个点，即完成单次ADC采样的时间不能超过5ms，而利用ADC0采样一次仅需10us，中间切换通道大概需要22us，能够满足题目要求。 2.4 被测网络设计 被测网络采用RLC串联谐振电路。 图2 RLC串联谐振电路 中心频率：