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基于USB的频率特性测试仪的设计

吴正玲;郭爽

【摘要】针对于传统频率特性测试仪价格昂贵、体积大、维护成本高等问题,介绍

了一种基于USB2.0的频率特性测试仪的设计过程.整个系统以单片机为控制核心,

通过频率合成器AD9850产生扫频信号,实现对被测网络频率特性的测量,所测得的

数据通过USB传输给上位机进行显示、存储和回放.最后通过实验测试验证了该方

案的可行性和准确性.

【期刊名称】《吉林化工学院学报》

【年(卷),期】2016(033)001

【总页数】6页(P5-10)

【关键词】频率特性测试仪;DDS;USB;幅频特性;相频特性

【作者】吴正玲;郭爽

【作者单位】吉林化工学院信息与控制工程学院,吉林吉林132022;吉林市科技信

息所,吉林吉林132012

【正文语种】中文

【中图分类】TH89

在电子测量时，常需要对网络的幅频特性及相频特性进行测量，用来实现上述测量

的仪器即是频率特性测试仪[1].目前其大致可分为两类：一类是传统设备，如国产

的BT型低频特性测试仪，由于其设备笨重、体积大、操作复杂等缺点，难以满足

用户需求，尤其是现场自动测试的要求；另一类是采用大规模新型芯片技术制造的

测试仪，这类仪器具有性能优良，精度高等优点，但其一般为进口产品，价格昂贵，

维护困难[2-4].为此，本文介绍了一种基于USB的频率特性测试仪，它具有成本低、

体积小、操作方便等优点，同时充分利用了计算机资源，可以对测试结果进行分析、

存储、回显等.

该测试仪以单片机AT89S52控制DDS(directdigitalsynthesis，直接数字合成)

频率合成器AD9850产生扫频信号.通过A/D等电路实现对被测网络的幅频特性和

相频特性的测量，然后通过USB接口送至上位机进行显示[5-8]，系统总体框图如

图1所示.

当以扫频模式输出时，单片机把接收到的频率控制字转换成起始频率和截止频率，

并根据系统要求的采样点数计算出扫频步进，以此步进向DDS发出频率控制字，

实现扫频信号源的输出.所得到的扫频信号经过信号调理电路使其具有在扫频范围

内有稳定的幅值.被调理的信号送给被测网络进行幅度的测量和相位的比较，再经

过A/D采样后把模拟的幅度信号和相位差信号转换为数字量送给单片机处理，单

片机把处理的结果传送给上位机.上层软件根据结果画出被测网络的幅频特性和相

频特性曲线图.

2.1扫频信号设计

硬件电路主要由信号产生电路、信号调理电路、信号检测电路和USB接口电路等

部分组成.

设计所采用的时钟为20MHz，字长为32位，最小输出频率，即频率分辨率为：

fL=fclk/232=20×106/232≈0.0047Hz

当取输出最高频率约为时钟频率的1/4时，则有最大输出频率为：fM=fclk/4=5

MHz

设K为DDS的频率控制字，由：

fout=K×fclk/232=K×20×106/232

可得出DDS的频率控制字为：K=fout×232/20×106.

根据需要的输出信号的频率，由(1)式算出输出频率控制字K值取整后，通过USB

接口送至AT89S52，其通过串行送入AD9850的FREQ0或FREQ1中，输出所

需要的信号.随着频率控制字K值的变化，从而产生扫频信号.

2.2信号调理电路设计

图2所示电路是将DDS输出的扫频信号进行程控放大或者衰减，在一定程度上还

起到了滤波的效果.当DDS输出电流设置电阻R17取3.9kΩ,输出电阻R3,R4取

50Ω时输出电压vp-p≈200mv.电路中采用8位D/A，分256个档位控制电压幅

度的输出，AD603在90MHz的频带范围内其增益范围为-11dB到30dB，所以

AD603最小输出幅度为vp-p=60mV,最大输出电压受AD转换器参考电压的限制

所以峰值只能达到参考电压值，为有效提高带载能力后面又加入了一级跟随[9].

2.3信号检测电路设计

检测电路分为相频检测电路和幅度检测电路.幅频检测采用峰值检波方式，为了有

效抑制二极管带来的管压降，检测电路采用了直流补偿电路，对0.7V的偏压进行

补偿，电路如图3所示.利用有源峰值检波器将被测网络的输入和输出信号的峰值

检出，再送至A/D