频率特性测试仪报告

是
功能改变
否
图 7 主程序流程图
四、测试方案与测试结果 1.测试仪器
（1）RIGOL DS1104 示波器 （2）RIGOL DG1062 信号发生器 （3）RIGOL DP832 直流电源 （4）VICTOR VC890C+ 数字万用表
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2.测试方法
（1）正交扫频信号源测量 DDS 产生两路正交信号，输入示波器，即可显示相应波形，频率，幅度，相 位等信息，改变频率观察幅度变换。设定信号源的扫频范围与步进，用示波器测 量扫频信号，记录实验结果。 （2）发挥部分测量 设定信号输出频率，用示波器测量两路信号幅值与相位，记录实验结果。单 独测试 RLC 网络，把其接入信号源，设置负载 50Ω ，扫频模式，观察中心频率 及品质因数。记录实验结果。
Q
2
跟随器 Ths3001 放大器 放大8倍 跟随器 Ths3001 放大器 放大8倍 跟随器 RLC网络 AD835 乘法器 OPA2320 8阶低通 滤波器 直流 放大器 ADC AD835 乘法器 OPA2320 8阶低通 滤波器 直流 放大器 ADC
I STM32 单片机 显示屏 显示特 性曲线
三、电路与程序设计 1.DDS 模块设计
下图 2 为 AD9854 外围电路。69 号参考时钟引脚接 30MHz 有源晶振，通过程 序设置倍频 6 倍，使系统时钟达到 180MHz。AD9854 产生两路正交信号，两路输 出连接电阻均采用 49.9Ω ，后接截止频率 120MHz 七阶滤波器滤除噪声。其他引 脚参考 AD9854 手册经典电路进行连接。为满足幅值要求，我们采用 Ths3001 芯 片制作如下图 3 所示同向放大器，使输出信号经过放大器峰峰值可放大 4 倍。
图 2 AD9854 设计电路
4
图 3 Ths3001 放大器设计电路
2.乘法器模块设计
如下图 4 所示，乘法器我们采用 AD835 芯片进行制作，其带宽 250MHz 远远 满足 40MHz 的题目要求，其中四个引脚 X1、X2 和 Y1、Y2 我们只用到 X1、Y1， X2 与 Y2 直接接地。 根据其基本传递函数 W=XY+Z 即可实现乘法功能，Z 脚连接电 位器进行偏置调节。
通过结果可看出低频时基本满足所有设计基本要求， 但频率较高时相位出现 偏移，相位误差无法达到要求。由（U2-U1)/U1×100%可看出幅度也无法达到幅 度误差要求。整体波形在高频处略有偏移。 （2）发挥部分测试结果：
表 2 发挥部分测试结果表 频率/Hz 幅度/dB 相位/° 1M -9.9 89 5M -10 81 10M -10 59 15M -4.4 25 20M 0 -35 25M -1.1 -46 30M -3.3 -53 35M -4.4 -56 40M -5.5 -58
五、总结
本次设计采用 AD9854 设计制作 DDS 进行 1M-40M 步进 100kHz 扫频，内置两 路 DAC 产生两路正交信号，经过放大器放大后，其中一路通过待测 RLC 网络，分 成两路待测信号， 分别与原正余弦信号通过 AD835 乘法器相乘，后两路信号通过 opa2320 低通滤波器滤出直流分量，经过放大后送入 AD，结果由 MCU 处理。
3
以采用此 ADC 进行设计使用。
4.被测网络 RLC 分析与计算
本测试网络为 LC 串联谐振回路，LC 部分相当于短路。因为Av = 20lg 1 0 =
u 2 s u
20lg R +R i +R ≥ −1dB,可计算得 R≤ 12.2018Ω，通过仿真定 R=3.6Ω 。中心频率fo
i 0
2R
为 20MHz，由f0 = 2π
1
与Q = LC
w0L R
=
2π f 0 L R
=R
1
L C
= 4可得 L=3.3uH,C=18pF.最后
实际制作定得 R=3.6Ω ，L=3.3uH，C=27pF。
5.特性曲线显示分析
频率范围 1M-40MHz，步进 100kHz，则有 390 个点。我们采用 320*240 分辨 率的彩屏来显示幅频与相位。整个显示图像根据测量结果转化为对应的点从+90° 到-90°变化显示。具体参数包括模式、频率、幅度、相位、中心频率、带宽会 在图像侧边显示。 参数具体计算是根据幅频响应与相频响应模拟分析转换为数学 分析通过单片机计算得到并在屏幕上进行显示。
4 总体方案设计：
根据如下系统总体框图可看出本系统通过直接数字合成器 AD9854 产生两路 正交信号，经过放大器放大。后因输出时进行了阻抗匹配，所以接两倍跟随器以 保证相位一致。跟随器输出信号通过待测 RLC 网络，再与乘法器 AD835 相乘，后 通过低通滤波器滤出直流分量，经过放大后送入 AD，由 I2 + Q2 可得到幅度，同 时相角可由arctan⁡ ( I )得到，数据送入单片机进行处理。放大器采用 ths3001 放 大 8 倍，AD835 作为信号乘法器，opa2320 作为低通滤波器，op27 制作放大器。 整体电路采用 320*240 的屏幕分辨率，由 stm32 单片机进行驱动。整体电路采用 ±5V、+3.3V 供电。 以下是总体系统框图：
3.测试结果及分析
（1）正交扫频信号源测量结果：
表 1 DDS 信号源测量结果表 频率（Hz) CH1(V) CH2(V) 幅度平衡误差（%） 频率稳定度 相位差(°) 1M 1.48 1.51 2.02 10 89
−5
5M 1.50 1.49 0.67 10 90
−5
10M 1.51 1.50 0.62 10 90
21Βιβλιοθήκη 1x2y2−b
y2−b
B
4 x12 +x22 A2
A
2.滤波器分析与计算
本次滤波器的设计是需要输出一个带有直流分量的混频信号，设计采用的 Butterworth 型，其特点是是在通带中具有最平幅度，从通带衰减较慢。设一共 需扫描 N 个点，采取 5 倍采样频率则中心频率fc =
5N Tc
。由于本设计中扫频步进取
经计算，幅度误差在设计要求范围内，但相位达不到所需条件。 RLC 网络：实测 RLC 测试网络，中心频率 20.7MHz,带宽 14.5MHz，误差范围 内，中心频率到达要求，但是品质因数 1.42 未能达到 4 的要求。综上可以看出 高频时 DDS 输出波形出现问题，导致相位、幅度未能达到要求，从而影响后面串 联谐振电路相位也未能达到设计要求。
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参考文献
[1] 程耕国,吴谨,陈华丽等.信号与系统—信号分析与处理.北京：机械工业出版社，2009. [2] 康华光,邹寿彬,秦臻.电子技术基础.北京：高等教育出版社，2013. [3] 姚剑清.运算放大器权威指南（第三版）.北京邮电出版社，2010.
8
图 6 RLC 设计电路
5.软件模块设计
本系统采用 stm32 控制显示屏进行幅频与相频特性曲线的显示，利用 FPGA 接受来自 AD 传输的信息进行数据处理。整个系统初始化后进入功能选择界面通 过选择不同的模式进行不同频率选择，从而显示结果，整体流程如下图 7：
开始
初始化
功能选择
模式一
模式二
模式三
AD9854直接 数字合成器 产生双路正 交信号
Q
图 1 系统总体框图
二、理论分析与计算 1.系统整体分析
AD9854 产生两类正交信号 Acoswt 和 Asinwt。 信号通过通过被测网络输出信 号可表示为 Bcos(wt+φ )则经过乘法器相乘可得两路信号为: 1 X1 t = Acoswt ∗ Bcos wt + φ = AB cosφ + cos 2wt + φ 2 1 X2 t = Asinwt ∗ Bcos wt + φ = AB sinφ −sin 2wt + φ 2 后通过滤波器滤除高频分量得到 x1=2ABcos(φ )和 x2=-2ABsin(φ )后经过直 流偏置与放大后输出直流信号 y1=k∗x1+b，同理另一路输出 y2=k∗x2+b。经 ADC 采样后进入单片机。相频响应和幅频响应由输入的两路信号共同参与计算得到： 相频响应：φ ω = arctan − x1 = arctan − y1−b = arctan⁡ (b −y1) 幅频响应： H ω = 20log10 1 = 20log10
2.乘法器方案比较：
方案一：利用运放与比较器搭建乘法器电路，整体电路制作复杂，且很难达 到高频率的要求，所以不采用此方案。 方案二： 利用高速乘法器 AD835， 其特点是带宽可达 250MHz， 外围电路简单， 制作方便。可达到设计要求，所以决定采用此方案。
3.RLC 网络方案比较：
方案一：采用贴片电感进行制作，此方法电感精度有限，需要固定不停更换 电容以达到最佳品质因数，费时。所以不采用此方案。 方案二：采用绕线电感进行制作。此方法可以方便地更改电感值，从而快速 得到需要的中心频率与品质因数。相比方案一精度更高，更方便，因此采用此方 案。
100KHz ， 1MHz f 40MHz ，所以 N=390 ， Tc = 2s , 可取 fc 等于 1kHz 。利用 TI Filter 软件辅助设计，取截止频率 30Hz，反馈方式为多重反馈，可设计得 到八阶低通滤波器。
3.ADC 分析
本题要求频率范围在 1MHz f 40MHz ,测量误差绝对值≤0.5dB。扫频最 小步进为 100kHz，一次扫频时间≤2s。2s 内 1-40M、步进 100kHz,则数据的变化 率为 0.05s。考虑到 stm32 内置 ADC 可满足 2s 内 391 频点的设计要求，因此可
图 4 AD835 设计电路
3.滤波器模块设计
本次设计我们采用 opa2320 制作 8 阶滤波器，如下图 5 所示，滤波器选型为 butterworth 型，截止频率 30Hz，采用滤波器设计软件可设计得到。