简易频率特性测试仪的设计与制作
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第 27 卷 第 8 期 Vol.27 No.8
电子设计工程 Electronic Design Engineering
2019 年 4 月 Apr. 2019
简易频率特性测试仪的设计与制作
濮 霞，李 楠，陶炳坤
（陆军工程大学石家庄校区 车辆与电气工程系，河北 石家庄 050003）
摘要：文中采用 FPGA 芯片 EP1C3T144C8、DSP 芯片 TMS320VC5416 和单片机 STC12C5A60S2 作为
作 ，提 高 工 作 效 率 。 [1] 为 此 ，文 中 充 分 利 用 FPGA 和 DSP 的 优 势 ，基 于 FPGA+DSP 的 数 据 采 集 和 信 号 处
1 系统设计方案
收稿日期：2018-07-15 稿件编号：201807073
系 统 主 要 由 正 交 扫 频 信 号 源 模 块 、FPGA+DSP
| | VPHS = -RF IΦ( Φ(V ) INA - Φ(VINB) - 90°) + VCP
- 46 -
图 3 AD8302 典型应用电路
AD8302 的幅度和相位响应特性曲线如图 4、图 5 所示。在幅度测量过程中斜率为 30 mV/dB，在中心 点 0.9 V 处，其幅度比为 0 dB，幅度比在-30～+30 dB 之 间变化时，输出电压对应的范围为 0～1.8V；而在相 位测量过程中，斜率为 10 mV/度，中心点 0.9 V 所对 应的相位为 90 度，信号的相位在 0 到 180 度之间变 化时对应的输出电压从 1.8 V 到 0 V 之间变化 。 [3]
图 1 频率特性测试仪结构框图
理核心，由 DDS 芯片 AD9854 作为正交扫频信号源， 根 据 零 中 频 正 交 解 调 原 理 ，实 现 测 试 双 端 口 网 络 幅
2
单元电路设计
频特性、相频特性的功能。AD9854 作为正交扫频信 号源，产生余弦和正弦两路信号，余弦信号作为激励 信 号 加 入 被 测 网 络 ，其 响 应 信 号 分 别 与 正 交 扫 频 信 号源产生的余弦和正弦信号通过 AD8302（包括乘法 器和滤波器）、放大器、ADC、FPGA 及 DSP 进行数据 变 换 、运 算 和 处 理 。 而 单 片 机 通 过 FPGA 串 行 通 信 进行交互，实现键控、显示、测量等功能。
文中选用 FPGA+DSP 信号处理架构。FPGA 的 优势是超强的控制能力，DSP 的优势是超强的数据 运算能力，以 FPGA+DSP 信号处理架构为核心实现 整 个 系 统 的 实 时 信 号 处 理 兼 顾 了 速 度 和 灵 活 性 ，使 电路大为简化。这种信号处理架构的优势是系统结构 灵 活 ，适 用 于 模 块 化 设 计 ，开 发 周 期 较 短 ，系 统 易 于 维护和扩展，而且可以应用在不同信号处理系统中，具 有很强的通用性。在实时信号处理系统中，底层信号 运 算 的 特 点 是 结 构 相 对 简 单 ，但 预 处 理 的 数 据 量 大 ， 速 度 要 求 高 ，因 此 采 用 FPGA 硬 件 实 现 ；高 层 信 号 处理的算法控制结构较复杂，采用 DSP 芯片来完成， 充分发挥了其运算速度快、寻址方式灵活的优势。
ωL
-
1 ωC
=
0
时 ，电 路 呈
纯阻性，电路中的电流达到最大，此时电路处于谐振
濮 霞，等 简易频率特性测试仪的设计与制作
图 6 ADC 电路图
图 7 RLC 串联谐振电路
控制和运算芯片，利用零中频正交解调原理，使用 DDS 芯片 AD9854 设计并制作了一款简易频率特
性测试仪。该测试仪能够输出 100 kHz~50 MHz 范围的正交信号，能正确的绘制被测网络的幅频特
性曲线和相频特性曲线。可通过键盘以 100 kHz 为步进频率进行扫频和点频输出。测试仪测给定
RLC 网络，中心频率的相对误差小于 0.1%，有载品质因数相对误差小于 2%。测试结果表明，该测
线接口。TLV2548 具有高速模数转换器和多种控制
功能，可以达到设计要求。ADC 电路如图 6 所示。
2.3 被测网络
为 了 系 统 进 行 误 差 分 析 的 需 要 ，我 们 设 计 了 一
个 RLC 串联谐振电路，该电路的谐振频率为 20 MHz，
电路如图 7 所示。
设 计 原 理 为 ：当 电 路 中
试仪设计方案合理，达到了预期的指标要求。本设计形成的硬件电路模块和软件程序可以用于高
等学校等的电类课程的实践教学应用。
关键词：频率特性测试；正交解调；AD9854；FPGA；DSP
中图分类号：TN98
文献标识码：A
文章编号：1674-6236（2019）08-0044-05
The design and production of a simple digital control frequency characteristic
2.1 正交扫频信号源设计 正交扫频信号源由 AD9854 芯片来实现，该芯片
是集成度较高的 DDS 芯片，内部有两路正交 D/A 转 换 器 ，具 有 速 度 快 、性 能 高 的 优 点 ，且 频 率 分 辨 率 可 达 48 位 。 [2] 当 驱 动 时 钟 稳 定 度 较 高 时 ，通 过 编 程 的 方 式 产 生 稳 定 度 较 高 的 正 弦 和 余 弦 信 号 ，并 且 信 号 的相位和幅度都是可编程的，硬件电路简单，软件编
test instrument
PU Xia，LI Nan，TAO Bing⁃kun （Shijiazhuang Campus of Army Engineering University，Shijiazhuang 050003，China）
Abstract: In this paper，FPGA chip EP1C3T144C8， DSP chip TMS320VC5416 and single chip microcomputer STC12C5A60S2 are used as control and computing chips. Using the Orthogonal demodulation principle，a simple frequency characteristic tester is designed and fabricated by DDS chip AD9854. The tester can output orthogonal signals in the range of 100KHz to 50MHz，and can correctly plot the amplitude- frequency characteristic curve and the phase- frequency characteristic curve of the tested network. The frequency sweep and point frequency output can be performed through the keyboard at a step frequency of 100 kHz. The tester measures the given RLC network，the relative error of the center frequency is less than 0.1%，and the relative error of the loaded quality factor is less than 2%.The test results show that the design of the tester is reasonable and meets the expected target requirements. The hardware circuit modules and software programs formed by this design can be used in practical teaching applications of electrical courses such as colleges and universities. Key words: frequency characteristic test；orthogonal demodulation；AD9854；FPGA；DSP
TI 公司生产的芯片 TLV2548。TLV2548 是一种高性
能、高速、低功耗模数转换器，8 路输入 12 位串行输
出 ，它 精 度 高 ，体 积 小 、通 道 多 ，使 用 灵 活 ，并 具 有 采
样 -保 持 功 能 。 [4] 电 源 电 压 为 2.7~5.5 V，其 内 部 有 3
个 输 入 端 和 一 个 三 态 输 出 端 ，可 为 微 处 理 器 提 供 4
数字频率特性测试仪能够直观描述系统的频率特性 制被测网络的幅频特性曲线和相频特性曲线，可进
和动态特性，其优点是测量过程速度快、直观，测试 行扫频和点频输出，通过键盘可设置扫频范围、输出
方 便 、测 试 结 果 准 确 度 高 ，这 样 能 大 大 简 化 测 量 操 固定频率、控制测量光标，测试数据误差小，精度高。
图 2 正交扫频信号源电路
程 工 作 量 小 。 采 用 FPGA 控 制 AD9854 的 信 号 输 出 2.2 信号处理模块设计
非常方便。正交扫频信号源电路图如图 2 所示。
1）信号处理架构
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《电子设计工程》2019 年第 8Байду номын сангаас期
信号处理模块最简单的方式是采用单片机实 现 ，开 发 和 控 制 比 较 简 单 。 但 由 于 受 到 运 算 速 度 和 数据存储量等限制，难以满足系统设计的要求。
2）运算电路及滤波器 为 了 提 取 被 测 电 路 幅 频 和 相 频 的 相 关 信 息 ，选 用了 ADI 公司专用于幅度和相位测量的集成电路 AD 8302，它 用 来 测 试 两 路 输 入 信 号 之 间 的 幅 度 比 和 相位差，最高测试频率可达 2.7 GHz。该芯片内部包 含模拟乘法器、低通滤波器、宽带对数放大器。模拟 乘 法 器 用 于 信 号 相 乘 得 到 直 流 成 分 和 交 流 成 分 ，低 通滤波器的作用是提取幅度信号和相位信号。 文中采用 AD8302 的典型应用电路，电路图如图 3 所示为。在测量模式下，电路的工作斜率和中心点 是可以通过第 12 管脚 MSET 和第 10 管脚 PSET 的分 压来加以修改的。 此时，对幅度和相位进行测量的方程式如下: 幅度测量方程：VMAG = RF LSLP lg(VINA/V ) INB + VCP 相位测量方程：
图 4 幅度响应特性曲线
图 5 相位响应特性曲线
图 3 中，C2 和 C8 起到低通滤波器的作用，经过计
算 ，我 们 取 幅 度 输 出 的 滤 波 电 容 C2=0.1 μF，相 位 输
出的滤波电容 C8=0.047 μF。 3）ADC 电路
放大器输出的信号需要通过 ADC 进行模数转
换 并 串 行 传 输 进 入 FPGA，本 设 计 中 ADC 芯 片 选 用
作者简介：濮 霞（1977—），女，新疆沙湾人，硕士研究生，讲师。研究方向：电工电子技术教学研究及科研。
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濮 霞，等 简易频率特性测试仪的设计与制作
信号处理模块、运算与滤波模块以及数模转换 ADC 模 块 、单 片 机 键 盘 输 入 及 显 示 模 块 等 组 成 。 简 易 频
率特性测试仪的结构框图如图 1 所示。 本简易频率特性测试仪以 FPGA+DSP 为控制处
电子产品的生产和调试过程中，很多时候需要 理系统，利用零中频正交解调原理，采用 AD9854 设
测量设备或网络的频率特性，然而模拟式扫频仪硬 计并制作了一款频率特性测试仪。该测试仪能够输
件 设 计 复 杂 、功 耗 大 ，且 体 积 庞 大 、价 格 也 很 昂 贵 。 出 100 kHz～50 MHz 范 围 的 正 交 信 号 ，能 正 确 的 绘
电子设计工程 Electronic Design Engineering
2019 年 4 月 Apr. 2019
简易频率特性测试仪的设计与制作
濮 霞，李 楠，陶炳坤
（陆军工程大学石家庄校区 车辆与电气工程系，河北 石家庄 050003）
摘要：文中采用 FPGA 芯片 EP1C3T144C8、DSP 芯片 TMS320VC5416 和单片机 STC12C5A60S2 作为
作 ，提 高 工 作 效 率 。 [1] 为 此 ，文 中 充 分 利 用 FPGA 和 DSP 的 优 势 ，基 于 FPGA+DSP 的 数 据 采 集 和 信 号 处
1 系统设计方案
收稿日期：2018-07-15 稿件编号：201807073
系 统 主 要 由 正 交 扫 频 信 号 源 模 块 、FPGA+DSP
| | VPHS = -RF IΦ( Φ(V ) INA - Φ(VINB) - 90°) + VCP
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图 3 AD8302 典型应用电路
AD8302 的幅度和相位响应特性曲线如图 4、图 5 所示。在幅度测量过程中斜率为 30 mV/dB，在中心 点 0.9 V 处，其幅度比为 0 dB，幅度比在-30～+30 dB 之 间变化时，输出电压对应的范围为 0～1.8V；而在相 位测量过程中，斜率为 10 mV/度，中心点 0.9 V 所对 应的相位为 90 度，信号的相位在 0 到 180 度之间变 化时对应的输出电压从 1.8 V 到 0 V 之间变化 。 [3]
图 1 频率特性测试仪结构框图
理核心，由 DDS 芯片 AD9854 作为正交扫频信号源， 根 据 零 中 频 正 交 解 调 原 理 ，实 现 测 试 双 端 口 网 络 幅
2
单元电路设计
频特性、相频特性的功能。AD9854 作为正交扫频信 号源，产生余弦和正弦两路信号，余弦信号作为激励 信 号 加 入 被 测 网 络 ，其 响 应 信 号 分 别 与 正 交 扫 频 信 号源产生的余弦和正弦信号通过 AD8302（包括乘法 器和滤波器）、放大器、ADC、FPGA 及 DSP 进行数据 变 换 、运 算 和 处 理 。 而 单 片 机 通 过 FPGA 串 行 通 信 进行交互，实现键控、显示、测量等功能。
文中选用 FPGA+DSP 信号处理架构。FPGA 的 优势是超强的控制能力，DSP 的优势是超强的数据 运算能力，以 FPGA+DSP 信号处理架构为核心实现 整 个 系 统 的 实 时 信 号 处 理 兼 顾 了 速 度 和 灵 活 性 ，使 电路大为简化。这种信号处理架构的优势是系统结构 灵 活 ，适 用 于 模 块 化 设 计 ，开 发 周 期 较 短 ，系 统 易 于 维护和扩展，而且可以应用在不同信号处理系统中，具 有很强的通用性。在实时信号处理系统中，底层信号 运 算 的 特 点 是 结 构 相 对 简 单 ，但 预 处 理 的 数 据 量 大 ， 速 度 要 求 高 ，因 此 采 用 FPGA 硬 件 实 现 ；高 层 信 号 处理的算法控制结构较复杂，采用 DSP 芯片来完成， 充分发挥了其运算速度快、寻址方式灵活的优势。
ωL
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1 ωC
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时 ，电 路 呈
纯阻性，电路中的电流达到最大，此时电路处于谐振
濮 霞，等 简易频率特性测试仪的设计与制作
图 6 ADC 电路图
图 7 RLC 串联谐振电路
控制和运算芯片，利用零中频正交解调原理，使用 DDS 芯片 AD9854 设计并制作了一款简易频率特
性测试仪。该测试仪能够输出 100 kHz~50 MHz 范围的正交信号，能正确的绘制被测网络的幅频特
性曲线和相频特性曲线。可通过键盘以 100 kHz 为步进频率进行扫频和点频输出。测试仪测给定
RLC 网络，中心频率的相对误差小于 0.1%，有载品质因数相对误差小于 2%。测试结果表明，该测
线接口。TLV2548 具有高速模数转换器和多种控制
功能，可以达到设计要求。ADC 电路如图 6 所示。
2.3 被测网络
为 了 系 统 进 行 误 差 分 析 的 需 要 ，我 们 设 计 了 一
个 RLC 串联谐振电路，该电路的谐振频率为 20 MHz，
电路如图 7 所示。
设 计 原 理 为 ：当 电 路 中
试仪设计方案合理，达到了预期的指标要求。本设计形成的硬件电路模块和软件程序可以用于高
等学校等的电类课程的实践教学应用。
关键词：频率特性测试；正交解调；AD9854；FPGA；DSP
中图分类号：TN98
文献标识码：A
文章编号：1674-6236（2019）08-0044-05
The design and production of a simple digital control frequency characteristic
2.1 正交扫频信号源设计 正交扫频信号源由 AD9854 芯片来实现，该芯片
是集成度较高的 DDS 芯片，内部有两路正交 D/A 转 换 器 ，具 有 速 度 快 、性 能 高 的 优 点 ，且 频 率 分 辨 率 可 达 48 位 。 [2] 当 驱 动 时 钟 稳 定 度 较 高 时 ，通 过 编 程 的 方 式 产 生 稳 定 度 较 高 的 正 弦 和 余 弦 信 号 ，并 且 信 号 的相位和幅度都是可编程的，硬件电路简单，软件编
test instrument
PU Xia，LI Nan，TAO Bing⁃kun （Shijiazhuang Campus of Army Engineering University，Shijiazhuang 050003，China）
Abstract: In this paper，FPGA chip EP1C3T144C8， DSP chip TMS320VC5416 and single chip microcomputer STC12C5A60S2 are used as control and computing chips. Using the Orthogonal demodulation principle，a simple frequency characteristic tester is designed and fabricated by DDS chip AD9854. The tester can output orthogonal signals in the range of 100KHz to 50MHz，and can correctly plot the amplitude- frequency characteristic curve and the phase- frequency characteristic curve of the tested network. The frequency sweep and point frequency output can be performed through the keyboard at a step frequency of 100 kHz. The tester measures the given RLC network，the relative error of the center frequency is less than 0.1%，and the relative error of the loaded quality factor is less than 2%.The test results show that the design of the tester is reasonable and meets the expected target requirements. The hardware circuit modules and software programs formed by this design can be used in practical teaching applications of electrical courses such as colleges and universities. Key words: frequency characteristic test；orthogonal demodulation；AD9854；FPGA；DSP
TI 公司生产的芯片 TLV2548。TLV2548 是一种高性
能、高速、低功耗模数转换器，8 路输入 12 位串行输
出 ，它 精 度 高 ，体 积 小 、通 道 多 ，使 用 灵 活 ，并 具 有 采
样 -保 持 功 能 。 [4] 电 源 电 压 为 2.7~5.5 V，其 内 部 有 3
个 输 入 端 和 一 个 三 态 输 出 端 ，可 为 微 处 理 器 提 供 4
数字频率特性测试仪能够直观描述系统的频率特性 制被测网络的幅频特性曲线和相频特性曲线，可进
和动态特性，其优点是测量过程速度快、直观，测试 行扫频和点频输出，通过键盘可设置扫频范围、输出
方 便 、测 试 结 果 准 确 度 高 ，这 样 能 大 大 简 化 测 量 操 固定频率、控制测量光标，测试数据误差小，精度高。
图 2 正交扫频信号源电路
程 工 作 量 小 。 采 用 FPGA 控 制 AD9854 的 信 号 输 出 2.2 信号处理模块设计
非常方便。正交扫频信号源电路图如图 2 所示。
1）信号处理架构
- 45 -
《电子设计工程》2019 年第 8Байду номын сангаас期
信号处理模块最简单的方式是采用单片机实 现 ，开 发 和 控 制 比 较 简 单 。 但 由 于 受 到 运 算 速 度 和 数据存储量等限制，难以满足系统设计的要求。
2）运算电路及滤波器 为 了 提 取 被 测 电 路 幅 频 和 相 频 的 相 关 信 息 ，选 用了 ADI 公司专用于幅度和相位测量的集成电路 AD 8302，它 用 来 测 试 两 路 输 入 信 号 之 间 的 幅 度 比 和 相位差，最高测试频率可达 2.7 GHz。该芯片内部包 含模拟乘法器、低通滤波器、宽带对数放大器。模拟 乘 法 器 用 于 信 号 相 乘 得 到 直 流 成 分 和 交 流 成 分 ，低 通滤波器的作用是提取幅度信号和相位信号。 文中采用 AD8302 的典型应用电路，电路图如图 3 所示为。在测量模式下，电路的工作斜率和中心点 是可以通过第 12 管脚 MSET 和第 10 管脚 PSET 的分 压来加以修改的。 此时，对幅度和相位进行测量的方程式如下: 幅度测量方程：VMAG = RF LSLP lg(VINA/V ) INB + VCP 相位测量方程：
图 4 幅度响应特性曲线
图 5 相位响应特性曲线
图 3 中，C2 和 C8 起到低通滤波器的作用，经过计
算 ，我 们 取 幅 度 输 出 的 滤 波 电 容 C2=0.1 μF，相 位 输
出的滤波电容 C8=0.047 μF。 3）ADC 电路
放大器输出的信号需要通过 ADC 进行模数转
换 并 串 行 传 输 进 入 FPGA，本 设 计 中 ADC 芯 片 选 用
作者简介：濮 霞（1977—），女，新疆沙湾人，硕士研究生，讲师。研究方向：电工电子技术教学研究及科研。
- 44 -
濮 霞，等 简易频率特性测试仪的设计与制作
信号处理模块、运算与滤波模块以及数模转换 ADC 模 块 、单 片 机 键 盘 输 入 及 显 示 模 块 等 组 成 。 简 易 频
率特性测试仪的结构框图如图 1 所示。 本简易频率特性测试仪以 FPGA+DSP 为控制处
电子产品的生产和调试过程中，很多时候需要 理系统，利用零中频正交解调原理，采用 AD9854 设
测量设备或网络的频率特性，然而模拟式扫频仪硬 计并制作了一款频率特性测试仪。该测试仪能够输
件 设 计 复 杂 、功 耗 大 ，且 体 积 庞 大 、价 格 也 很 昂 贵 。 出 100 kHz～50 MHz 范 围 的 正 交 信 号 ，能 正 确 的 绘