摘要 基于直接數(shù)字頻率合成技術的思想，采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理和顯示技術，設計了一臺低成本、數(shù)字化、智能化的頻率特性測試儀。實現(xiàn)了對20Hz～150MHz范圍內任意頻段的被測網絡幅頻特性和相頻特性測量。完成了數(shù)據存儲、-3曲帶寬計算、峰值查找等功能，幅度檢測精度達到1dBm，相位檢測精度1°等指標。

傳統(tǒng)掃頻儀的信號源大多采用LC電路構成的振蕩器，大量使用分立元器件來實現(xiàn)各功能，顯示部分采用傳統(tǒng)的掃描顯示器。因此傳統(tǒng)結構的掃頻儀不僅結構復雜、體積龐大、價格昂貴、操作復雜，而且由于各元件分散性大，參數(shù)變化容易受外部環(huán)境變化影響，精度不高。目前，以Agilent等為代表的儀器生產廠家提供了多種高性能的頻率特性測試儀。但其產品主要集中在射頻、微波等高頻領域，中低頻段的產品相對缺乏。本文基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)的技術思想，采用DSP和FPGA架構的現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術，設計了一臺低成本，高度數(shù)字化和智能化的頻率特性測試儀，實現(xiàn)了對20Hz～150MHz范圍內任意頻段的被測網絡幅頻特性和相頻特性測量和顯示，完成了數(shù)據存儲回放和傳輸，-3dB帶寬計算，峰值查找等功能。幅度檢測精度達到1dBm，相位檢測精度1°的指標。

1 系統(tǒng)組成

頻率特性分析儀主要包括控制和數(shù)據存儲處理單元、DDS信號源單元、幅度和相位檢測單元、數(shù)據采集單元、顯示及交互接口單元，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設計

2.1 控制與數(shù)據處理單元

ADSP—BF532和FPGA(EP1C3)是控制與數(shù)據存儲處理單元的核心。DSP通過PPI、SPI和PF接口與FPGA進行雙向數(shù)據通信，實現(xiàn)鍵盤讀取，DDS掃描，A/D采集，LCD掃描等功能，通過UART單元與計算機實現(xiàn)數(shù)據傳輸和遠程控制。FPGA完成了TFT_LCD和VGA同步顯示時序轉換、鍵盤掃描、SPI通信和信號分配等功能。另外，DSP通過EBIU單元連接AM29LV800和MT48L32M16分別作為程序與工作狀態(tài)存儲器和數(shù)據存儲與顯示緩存。工作原理如圖2所示。

2.2 數(shù)據采集單元

數(shù)據采集單元采用多路A/D轉換器將幅度和相位的模擬電壓信號轉換為數(shù)字信號供DSP和FPGA進行處理和傳輸，是模擬電路和數(shù)字電路之間的“橋梁”。本儀器中選用AD7655采集信號。該A/D轉換器具有4個模擬輸入通道，16位采樣精度，最高采樣率為1MHz。采用16位并行和SPI等傳輸模式。REF3125提供A/D轉換器所需的2.5V參考電壓。

2.3 DDS信號源單元

DDS技術是一種把一系列數(shù)字量形式的信號通過DAC轉換成模擬量形式信號的合成技術。DDS技術建立在采樣定理的基礎上，它首先對需要產生的波形進行采樣，將采樣值數(shù)字化后存入存儲器做為查找表，然后再通過查找表將數(shù)據讀出，經過D/A轉換器轉換成模擬量，把存入的波形重新合成出來。雖然DDS系統(tǒng)的結構有很多種，但其基本的電路原理，如圖3所示。

本儀器選用的DDS芯片AD9958是一款高性能雙通道直接數(shù)字頻率合成器，具有兩個獨立的DDS核，分別具有兩個獨立的32位頻率控制字和14位相位控制字，一個10位的幅度控制字。內部集成PLL，芯片最高工作頻率500MHz，輸出信號最高頻率可達180MHz。DSP通過SPI和PF接口經FPGA信號分配邏輯對AD9958進行頻率、相位和幅度控制字的配置，如圖4所示。

AD9958采用25MHz外部時鐘輸入，經內部PLL倍頻后產生500MHz內核工作時鐘。輸出信號為兩路同頻的正弦和余弦信號。為避免數(shù)字噪聲對信號產生干擾，芯片的3.3V數(shù)字供電與模擬供電部分需采用型網絡隔離，并對模擬地接小電阻到地平面以隔離干擾。由于芯片輸出為電流信號，需采用51Ω上拉到1.8V轉換為電壓信號，經LFCN—160集成濾波器濾除高頻噪聲，并采用差分運放AD8312抵消共模噪聲。輸出信號電平范圍為-10～-3 dBm。AD9958信號輸出原理如圖5所示。

2.4 輸出電平調節(jié)單元

本儀器設計的信號源輸出電平范圍為-87～13 dBm。而前級DDS信號源單元的輸出信號電平范圍為-10～-3 dBm，因此需要對前級信號進行電平調節(jié)。該單元的信號流圖如圖6所示。