频率特性测试仪

频率特性测试仪

摘要：本频率特性测量仪以MSP430单片机为控制核心，由信号源、被测双T 网络、检波电路、检相电路及显示等功能模块组成。其中，检波电路、检相电路由过零比较器、鉴相器、有效值检波器、A/D 、D/A 转换器等组成；被测网络采用带自举功能的有源双T 网络；同时本设计还把FPGA 作为MCU 的一个高性能外设结合起来，充分发挥了FPGA 的高速信号处理能力和MCU 的复杂数据分析能力；通过DDS 可手动预置扫频信号并能在全频范围和特定频率范围内为自动步进测量，在数码管上实现频率和相位差的显示，以及实现了用示波器观察幅频特性和相频特性。

关键词：单片机；DDS ；幅频特性；相频特性

一、方案比较与论证

1.方案论证与选择 (1)系统总体方案描述

该系统以单片机和FPGA 为控制核心，用DDS 技术产生频率扫描信号，采用真有效值检测器件AD637测量信号幅度。在FPGA 中，采用高频脉冲计数的方法测量相位差，经过单片机运算，可得到100 Hz ～100 kHz 中任意频率的幅频特性和相频特性数据，实现在该频段的自动扫描，并在示波器上同时显示幅频和相频特性曲线。用键盘控制系统实现各种功能，并且在LCD 同步显示相应的功能和数据。系统总体设计框图如图1所示。

单片机

A/D 转换TLC549

FPGA

（鉴相器）AD637有效值检波

过零比较

双T 网络

过零比较

DDS D/A 转换（TCL7528）

D/A 转换（TCL7528）

波形叠加

键盘输入

液晶显示

方波

锯齿波

示波器X 轴

示波器Y 轴

图1 系统总体框图

（2）扫描信号源发生器

方案一：采用单片函数发生器。其频率可由外围电路控制。产生的信号频率稳定度低，抗干扰能力差，灵活性差。

方案二：采用数字锁相环频率合成技术。但锁相环本身是一个惰性环节，频率转换时间长，整个测试仪的反应速度就会很慢,而且带宽不高。其原理图如图2所示：

晶振

程序分频器压控振荡器

低通滤波器

鉴相器

fr

fd

fo

图2 PPl原理图

方案三：采用数字直接频率合成技术(DDFS)。以单片机和FPGA为控制核心,通过相位累加器输出寻址波形存储器中的数据,以产生固定频率的正弦信号。该方案实现简单，频率稳定，抗干扰能力强。其原理图如图3所示：

参考频率

相

位累加器

滤

波

D/A

转

换

器

波

形

存

储

器

频率控制字K输出

图3 DDS原理图

综上分析，方案三可以产生高精度与高纯度的频率信号，频率分辨率很高，可以实现任意小的频率步进，固采用方案三。

（2）幅频特性的测试

方案一：由电压跟随器和二极管电路组成。当输入电压正半周通过时，检波管导通，对电容C充电，使电容上的电压逐渐趋近于峰值电压。只要RC足够大，可以认为其输出的直流电压数值上十分接近于交流电压的峰值。而在其它时段电容C上的电压将对电阻R放电。利用检波二极管对输出信号检测，得到与信号峰值成比例关系的直流信号，在经过运算放大器调整比例系数以便于单片机采样。

方案二：使用高速A/D采样，通过采样值获得峰值。此方案精度很高，但是

由于需要较高的采样频率，高频干扰无法彻底消除，给峰值获取带来很大难度，制作调试相对复杂。

方案三：使用精度和速度都比较高的有效值检测器件（如AD637），通过有效值来计算幅度响应。此方案外围电路简单易于调试，精度也较高。

综上考虑，由于芯片AD637精度很高，稳定性好，快速变化能力强，固采用方案三。

（3）相频特性的测试

方案一：积分法。将异或鉴相器的异或输出脉冲送至积分器积分，当积分电压达到一定值时再通过一个回路放电，并测量充放电的时间T1，T2。根据其比值算出其相位差。

方案二：计数法。将输入和输出信号分别经过过零比较器后对其输出方波进行异或操作。所得脉冲的占空比既能反映被测信号相位大小。测量异或脉冲的周期为T ，假设其高点平时间为Th ，给一个基准高频脉冲，T 与Th 内基准脉冲的数目分别为M 、N ，则信号的相位差则为ψ=(N/M)*360°。

方案三：低通滤波法。将输入和输出信号分别经过过零比较器后对其输出方波进行异或操作。将此异或输出信号微分得到两个对应被测信号负向过零瞬间的尖脉冲，利用非饱和型高速双稳态电路被这两组负脉冲所触发。

所以，由于方案二硬件实现电路简单，且易于用FPGA 实现，故选择方案二。

二、理论分析与比较

1.低通滤波器

输出周期为T 、宽度为TX 的方波，若方波幅度为Ug ，则此方波的平均值即直流分量可得。用低通滤波器将方波中的基波和谐波分量全部滤除后，输出电压即直流电压。上式中T 为被测信号的周期，TX 由两信号的相位差x ϕ决定。TX 与

x ϕ的关系为：

22360x x x x x T T T w

f ϕϕϕϕ

ππ=

=

=⨯=⨯︒ (1-1)

若A/D 的量化单位取为Ug/3600,则A/D 转换结果即为x ϕ的度数。 2.阻容双T 网络参数

在此网络中，中心频率为012f RC π=，电路Q 值为1

(1)4

Q K =-,频率特性方程为

22

022

00(w)4(1)w w H w j w w K w -=+-- （1-2）