简易频率特性测试仪的设计说明

简易频率特性测试仪的设计

加在前面：

术业有专攻。一般写一些东西我也不会在空间瞎发，弄的别人以为自己瞎显摆。不过我觉得我们电子设计的过程确实值得其他小组学习一下，比如说老焊板子那种芯片的布局，还有我们用4个按键解决所有数字的设置的思想。我希望大家看到文章的时候不是觉得怎么吊炸天，其实我们这种水平比我们吊炸天的多了去。我们之所以有敢厚着脸皮把这么次的设计思想分享出来，主要希望能把其中的某一些发光点分享给大家，同时希望他人给我们的更宝贵的意见和建议。

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电子设计三中，仪器仪表组的第一个题目，是简易频率特性测试仪的设计。这个题目取自2013年的E题：简易频率特性测试仪（E 题）。

为了纪念近一个月的工作，特撰以此文纪念我们第七小组历经了的艰辛岁月。在此，感组长家瑾大神、还有一华同学的辛勤付出，还有煜及其他一些学长的帮助。

特发上图，以作纪念。

在本次完成题目的过程中，大神早早完成了公式推导、电路理论和原理的分析，并组织我们在工作上分工（虽然他好像对“被我和一华排挤去焊电路板”很不满意私下抱怨并耿耿于怀，哈哈）。

下面我简单的回顾一下我们的这次设计：其中，有关硬件电路的部分是大神负责的，我只是略懂了原理，故仅仅略述。我主要承担的是AD采样部分的程序，还有就是通过操作液晶屏和按键实现的程序的总体逻辑控制程序。一华同学主要完成的是AD9854部分的程序，正弦波输出及其幅度补偿，还有扫频部分的程序。下面，我从入手这道题目的开始状态，来一步步回顾一下。

下面，先把题目贴出来：

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【本科组】

一、任务

根据零中频正交解调原理，设计并制作一个双端口网络频率特性测试仪，包括幅频特性和相频特性，其示意图如图 1 所示。

二、要求

1．基本要求

制作一个正交扫频信号源。

（1）频率围为 1MHz~40MHz，频率稳定度≤10^-4；频率可设置，最小设置单位 100kHz。

（2）正交信号相位差误差的绝对值≤5º，幅度平衡误差的绝对值≤5%。

（3）信号电压的峰峰值≥1V，幅度平坦度≤5%。

（4）可扫频输出，扫频围及频率步进值可设置，最小步进 100kHz；要求

连续扫频输出，一次扫频时间≤2s。

2．发挥部分

（1）使用基本要求中完成的正交扫频信号源，制作频率特性测试仪。

a. 输入阻抗为 50Ω，输出阻抗为 50Ω；

b. 可进行点频测量；幅频测量误差的绝对值≤0.5dB，相频测量误差的绝对值≤5º；数据显示的分辨率：电压增益 0.1dB，相移 0.1º。

（2）制作一个 RLC 串联谐振电路作为被测网络，如图 2 所示，其中 Ri和Ro分别为频率特性测试仪的输入阻抗和输出阻抗；制作的频率特性测试仪可对其进行线性扫频测量。

a. 要求被测网络通带中心频率为 20MHz，误差的绝对值≤5%；有载品质因数为 4，误差的绝对值≤5%；有载最大电压增益≥ -1dB；

b. 扫频测量制作的被测网络，显示其中心频率和-3dB 带宽，频率数据显示的分辨率为 100kHz；

c. 扫频测量并显示幅频特性曲线和相频特性曲线，要求具有电压增益、相移和频率坐标刻度。

（3）其他。

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AD9854实验板的程序，我们直接有学长找来的代码，我们需要做的工作只是移植。然而，源程序对应的IO口用到的均为位操作，而我们使用的F020单片机不能直接对P6、P7口直接进行位操作，所以需要将位操作均用“|=bitx”或者“&=！bitx”的方式来置位或者复位。这一段程序由一华同学完成移植，在此不贴出了。

硬件部分最值得一说的是AD835解调板，该板子由大神焊成。

他共焊接了两次，第一次半途而废，因为确实太渣渣了。第二次，板子正面元器件布局很好，但是最终测试的时候，发现还是效果不行，原因可能是高频信号的其板子背面走线，尤其是AD9854的双正弦波输入附近位置的不佳处，受到的影响较大（具体我不清楚为什么）。

你们会发现，途中下面的两块转接板上你看不到芯片，这并不是没有焊芯片，而是焊接时候就把板子反面了一下。这样的话，芯片引脚的布局就和电路的原理图上一样啦，在走线的时候将方便许多，这个小技巧大家可以学习一下。

老哥说了下次还是他要来焊了啦，要给他一个挽回的机会哈哈。

现在贴出AD835解调板原理图：

解调板左边的四个接口，分别对应如下：Q-AD9854cos路，I-AD9854sin路，IN-RLC被测网络输入端，OUT-LC被测网络输出端。右侧分别为Ain0和Ain1路的采样，输给F020单片机的ADC0.

输入解调板的两路正交的sin信号I和Q，期中I路经过RLC网络后分别与I路和Q路相乘。通过AD835完成乘法，其输出：

分别给偏置电压0.125mV和0.25mV。通过TL431给出稳定的偏置。

分别通过低通滤波器，得到直流分量。这里低通的指标是按照截止频率100KHz做得，其实具体是多少，只要足够小就行。

为了让F020能够采样到合适围的电压值，通过低通滤波器后，再将信号放大10倍。

实际上，我们会发现，因为F020板子上参考电压已经与部相连，我们无法改变，最大电压只能采样到2.48V,幸好最大电压只能是2.5V，我们在这种情况下可以视为2.5V来算。但是我们设想，如果将电压放大的倍数略设置小一些，如8倍，将解决该问题。

最后，就是在程序中，根据公式算出实际的被测网络的K（幅度衰减）和Fi（相位）值啦。经过滤波