沈陽，楊欽鵬，曹洪奎，祖天一

基于DDS的頻率特性測量系統(tǒng)的設計

沈陽1，楊欽鵬2，曹洪奎2，祖天一2

（1.遼寧工業(yè)大學 理學院，遼寧 錦州 121001；2.遼寧工業(yè)大學 電子與信息工程學院，遼寧 錦州 121001）

設計了一種基于DDS技術(shù)的頻率特性測量系統(tǒng)，系統(tǒng)由單片機IAP15W4K58S4控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生弦掃頻信號，由相位與頻率的關(guān)系、幅度與頻率的關(guān)系得出相頻特性曲線和幅頻特性曲線。測試結(jié)果表明，基于單片機技術(shù)的頻率特性測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了對被測網(wǎng)絡的頻率特性測量與顯示等功能。

頻率特性；DDS技術(shù)；峰值檢測；相位檢測

1 引言

在現(xiàn)代電子電路系統(tǒng)中，頻率特性是信號放大傳輸電路的重要特性指標，能反映電路在不同信號頻率輸入下的系統(tǒng)響應。頻率特性測試設備為放大電路的性能分析提供了極大的便利。由單片機作為主控制器，配合其他器件（如DDS芯片等）組成掃頻信號源，利用數(shù)字式控制系統(tǒng)完成掃頻功能，這種設計頻率特性測量系統(tǒng)的方法以它的高性價比受到越來越多人的青睞。

本設計以單片機IAP15W4K58S4為控制核心，結(jié)合DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，實現(xiàn)頻率測量系統(tǒng)的硬件電路和系統(tǒng)軟件設計。系統(tǒng)由單片機IAP15W4K58S4控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生正弦掃頻信號，正弦掃頻信號經(jīng)過緩沖放大后輸入到被測網(wǎng)絡的輸入端，被測網(wǎng)絡的輸出信號再經(jīng)過整形電路和由異或門74LS86構(gòu)成的相位檢測電路得到該輸出信號的頻率和相位差；同時通過由AD736構(gòu)成的峰值檢測電路測得輸出信號的峰值，經(jīng)換算得出該信號的幅度。由相位與頻率的關(guān)系、幅度與頻率的關(guān)系得出相頻特性曲線和幅頻特性曲線，并將特性曲線顯示在2.8寸TFT液晶屏上，從而完成對被測網(wǎng)絡的頻率特性的測量與顯示。

2 系統(tǒng)的總體設計

系統(tǒng)具體由九大部分構(gòu)成：微控制器主控電路、DDS模塊、緩沖放大電路、被測網(wǎng)絡、整形電路、峰值檢測電路，相位測量電路、按鍵模塊和顯示電路，系統(tǒng)總體設計方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 頻率特性測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

它的總體思路如下：系統(tǒng)以單片機IAP15W4K58S4為核心，采用單片機IAP15W4K58S4控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生測試所需的正弦掃頻信號源，經(jīng)過緩沖放大后輸入到被測網(wǎng)絡的輸入端，輸出信號頻率與測試信號相同，但幅度和相位發(fā)生變化。被測網(wǎng)絡的輸出響應信號經(jīng)峰值檢測電路再整流濾波后，送至A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)采集，通過單片機對數(shù)據(jù)進行分析計算，顯示信號的幅值。同時，采用兩路由電壓比較器構(gòu)成的波形整形電路，將輸入信號和被測網(wǎng)絡輸出信號整形為脈沖信號，脈沖信號經(jīng)過異或門電路進行異或運算得到相位差脈沖信號，對相位差脈沖信號一個周期內(nèi)的高電平定時計算得到脈寬，由脈寬與周期和角度的關(guān)系計算出相位差。由幅度與頻率的計算關(guān)系以及相位與頻率的計算關(guān)系得出幅頻特性曲線和相頻特性曲線的數(shù)學表達式，通過軟件計算和控制使曲線在TFT液晶屏上顯示，完成對被測網(wǎng)絡的幅頻特性和相頻特性測量。

3 系統(tǒng)單元電路設計

3.1 微控制器最小系統(tǒng)

微控制器用于控制DDS芯片產(chǎn)生原始的正弦掃頻信號源，信號源經(jīng)過被測網(wǎng)絡后，通過相位檢測和峰值檢測電路采集檢測到發(fā)生了變化的輸出正弦信號的相位與幅度數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)通過程序進行分析計算，并根據(jù)幅度與頻率的計算關(guān)系以及相位與頻率的計算關(guān)系得出幅頻特性曲線和相頻特性曲線的數(shù)學表達式，然后通過軟件計算和控制使曲線在TFT液晶屏上顯示，從而完成對被測網(wǎng)絡的幅頻特性和相頻特性測量。

總的來說，微控制器可控制正弦掃頻信號源的輸出，并對采集的數(shù)據(jù)進行分析計算處理，完成邏輯控制以及數(shù)據(jù)處理和人機交互功能，控制整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的直觀顯示作用，是整個系統(tǒng)的核心部分。系統(tǒng)主控芯片選擇STC公司增強型51單片機IAP15W4K58S4。

3.2 正弦掃頻信號源電路設計

系統(tǒng)中采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)，DDS芯片AD9850與單片機IAP15W4K58S4配合使用，實現(xiàn)輸出頻率可控的正弦掃頻信號源。單片機IAP15W4K58S4與AD9850的接口采用串行方式，通過按鍵向AD9850發(fā)送32位頻率控制字，用于改變頻率值，實現(xiàn)掃頻功能。由AD9850構(gòu)成的正弦掃頻信號源電路如圖2所示。

圖2 正弦掃頻信號源電路

采用硬件電路連接實現(xiàn)AD9850串行方式傳輸數(shù)據(jù)，具體引腳接法為：AD9850的D0、D1引腳接VCC，即高電平置1；D2、D3、D4、D5、D6引腳接地，即低電平置0；D7為串行數(shù)據(jù)傳輸引腳用來接收單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)，更改頻 率值。

AD9850與單片機接口具體連接為：AD9850的D7、RESET、FQ_UD、W_CLK引腳分別與單片機P0.0、P0.1、P0.2、P0.3相連實現(xiàn)單片機對AD9850輸出頻率的控制。在該系統(tǒng)中，使用125 MHz的外部有源晶振，為了使輸出信號頻率能夠最大程度地降低AD9850外部系統(tǒng)時鐘晶振的干擾，將信號加到模擬系統(tǒng)的輸入端，利用測量儀器，可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線及性能指標。

3.3 緩沖放大電路設計

3.4 峰值檢測電路設計

本設計選用AD公司推出的真有效值直流變換器AD736。AD736可以對信號頻率為500 kHz以下、幅度低于200 mV的信號進行峰值檢測，輸出直流信號，具有電路設計簡單、檢測精度和靈敏度高的特點。

3.5 相位檢測電路設計

DDS產(chǎn)生的原始掃頻信號源和經(jīng)過被測網(wǎng)絡電路后輸出的正弦信號經(jīng)過比較器LM393構(gòu)成的正弦信號過零比較整形電路，得到兩路矩形脈沖信號，再對兩路矩形脈沖信號進行異或運算，得到信號的高電平時間對應角度即是相位差。相位差角度與頻率的關(guān)系通過程序控制，使其對應的數(shù)學函數(shù)曲線在TFT液晶屏上顯示。

4 結(jié)論

本文主要對頻率特性測量系統(tǒng)進行了設計，對頻率特性測量原理進行了說明，并完成了系統(tǒng)的方案設計，以及硬件電路、系統(tǒng)軟件的設計與調(diào)試。針對硬件電路設計，本系統(tǒng)采用IAP15W4K58S4微控制器作為核心控制器件，用于采集各個測量模塊的數(shù)據(jù)并進行分析處理，再根據(jù)數(shù)據(jù)之間的數(shù)學關(guān)系控制測量結(jié)果的輸出顯示。使用DDS芯片AD9850實現(xiàn)正弦掃頻信號源的設計，為系統(tǒng)提供測量信號源；采用真有效值芯片AD736對被測網(wǎng)絡電路輸出信號的幅度值進行檢測。還針對系統(tǒng)設計了相應的穩(wěn)壓電源，并對各個硬件模塊的外圍電路進行了設計及相關(guān)說明。由于單個模塊電路測量時會存在一定的誤差，必須使用相應的方法將各個模塊電路的采集數(shù)據(jù)進行融合，才能解算出比較精確和穩(wěn)定的輸出數(shù)據(jù)。對于正弦掃頻信號源部分，采用軟件程序?qū)︻l率修正，減小參考時鐘晶振帶來的誤差；對A/D采集部分采用算術(shù)平均濾波法進行程序設計，減小隨機信號的干擾。測試結(jié)果表明，本文設計的基于單片機技術(shù)的頻率特性測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了對被測網(wǎng)絡的頻率特性測量與顯示等功能。系統(tǒng)具有操作方便、成本低廉、結(jié)果顯示直觀等優(yōu)點。

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TM935.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.001

2095－6835（2020）08－0001－02

〔編輯：嚴麗琴〕