頻率特性測試儀在測試網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)中的設(shè)計
摘要:以單片機(jī)89C51和可編程邏輯器件(FPGA)為控制中心,設(shè)計了一個頻率特性測試儀,用于測試某一特定網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性。本系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是由FPGA驅(qū)動多種串行芯片,在精簡了系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的同時也不影響程序的效率。其中掃頻信號由AD9851的串行方式產(chǎn)生,擴(kuò)展了頻率范圍及穩(wěn)定性。幅度測量由有效值采樣芯片AD637和10住串行A/D轉(zhuǎn)換器TLV1544配合實(shí)現(xiàn),相位測量采用計數(shù)法實(shí)現(xiàn)。頻率特性曲線由12位串行雙D/A轉(zhuǎn)換器TLV5638輸出,并經(jīng)示波器顯示出來。本系統(tǒng)幅度測量精度達(dá)到5%,相位測量精度達(dá)到1°。
頻率特性的測量采用掃頻的方法實(shí)現(xiàn),用AD9851產(chǎn)生掃頻信號,可產(chǎn)生頻譜純凈、頻率范圍廣且穩(wěn)定度非常高的正弦波。通過二極管負(fù)反饋橋式限幅放大電路及有效值采樣電路等實(shí)現(xiàn)頻響特性的測量,最后用示波器顯示被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性及相頻特性。
本系統(tǒng)的一個特點(diǎn)是采用了較多串行芯片(AD9851,TLV1544和TLV5638)。為了使電路中的信號干凈,應(yīng)減少電路連線,采用串行芯片可以有效精簡電路,保證電路的穩(wěn)定性和減少信號噪聲。但由于串行芯片犧牲了程序的時間效率,所以應(yīng)該合理設(shè)計程序結(jié)構(gòu)。
1系統(tǒng)方案論證與選擇
1.1幅度測量電路的設(shè)計與論證
方案1:峰值檢波電路?;镜姆逯禉z波電路是由二極管電路和電壓跟隨器組成,通過電容的充放電實(shí)現(xiàn)。此電路測量低頻信號時檢波的紋波較大,適合于測量中高頻率段的信號。
方案2:真有效值檢波。從真有效值檢波的工作原理可以分為線性有效值檢波器、對數(shù)有效值檢波器和數(shù)字有效值檢波器。典型的真有效值轉(zhuǎn)換芯片為AD637,使用AD637在測量峰值系數(shù)高達(dá)10的信號時附加誤差僅為1%,且外圍元件少、頻帶寬。
綜上,選擇方案1。
1.2相位測量電路的設(shè)計與論證
方案1:波形分析法。采用兩片高速A/D轉(zhuǎn)換芯片同時對輸入的兩路信號進(jìn)行等時間間隔采樣并將采樣結(jié)果分別存儲,然后對所測信號的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。掃描存儲在RAM中的波形數(shù)據(jù),計算兩片A/D轉(zhuǎn)換器采集兩部分波形數(shù)據(jù)的最大值或最小值的時間間隔,則信號的相位差為:φx=(Tx/T)x360°其中,Tx為兩路信號相臨極值的時間間隔,T為信號周期。
方案2:計數(shù)法。將兩路被測信號經(jīng)過異或門后,產(chǎn)生一個鑒相脈沖信號,送入FPGA進(jìn)行記數(shù),計數(shù)值為N。若信號頻率為,f,計數(shù)頻率為fclk,則相位差為:φx(Nf/fclk)x360°,可判斷被測信號是比標(biāo)準(zhǔn)信號相位超前還是滯后。由于相差在0°~180°之間和360°~180°之間是對稱的,異或后的計數(shù)值是相同的,故需加上一極性判別電路。相位的極性判決電路可由D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn),將兩路信號接D觸發(fā)器的D端和CP端,從0端輸出的高低電平可判別相差的極性。
方案1需要用軟件對大量的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能達(dá)到較高的精度,且采集時間間隔難以精確控制,主要適用于精度要求不是很高的情況。方案2的測量過程可以全部由FPGA實(shí)現(xiàn),AD9851產(chǎn)生的信號頻率f已知,無需測頻,所以這種方法非常容易實(shí)現(xiàn),而且采用FPGA的40M高頻晶振計數(shù),測量精度和測量范圍都得到提高。因此采用方案2。
2系統(tǒng)總體設(shè)計方案及實(shí)現(xiàn)框圖
本系統(tǒng)以單片機(jī)及FPGA為核心,由掃頻信號源模塊、峰值檢測模塊、限幅放大模塊和相位測量模塊構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。為了提高效率,芯片控制主要由FPGA實(shí)現(xiàn),單片機(jī)僅提供系統(tǒng)各模塊的觸發(fā)信號。系統(tǒng)工作時,AD9851產(chǎn)生一定頻率的正弦信號,經(jīng)過被測網(wǎng)絡(luò)后,其幅值、相位會有所改變。將被測網(wǎng)絡(luò)的輸出端經(jīng)過AD637有效值檢測電路即得出信號的真有效值,A/D采樣后送于單片機(jī)。同時,分別將被測網(wǎng)絡(luò)前后的信號經(jīng)過限幅放大模塊整形為峰峰值為+5V的方波,送入FPGA進(jìn)行相位測量。再改變信號發(fā)生器的頻率,測量對應(yīng)頻率點(diǎn)的相位差與幅度值,直到完成整個頻率段的測試,最后將被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性曲線用示波器顯示出來。
3主要功能電路設(shè)計
3.1掃頻信號發(fā)生器
AD9851是AD公司采用先進(jìn)CMOS技術(shù)生產(chǎn)的具有高集成度的直接數(shù)字合成器,可以直接作為信號源,也可通過其內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出,作為靈敏的時鐘產(chǎn)生器。它將相位累加器,波形存儲器,10Bit高速D/A集于一塊芯片中,頻帶寬,頻率精度和穩(wěn)定度高,外圍電路簡單。
其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。AD9851內(nèi)部的控制字寄存器首先寄存來自外部的頻率、相位控制字,相位累加器接收來自控制字寄存器的數(shù)據(jù)后,決定最終輸出的信號頻率和相位,再經(jīng)過內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器,所得到的就是最終的數(shù)字合成信號。
設(shè)相位累加器的位數(shù)為N,相位控制字的值為FN,頻率控制字的位數(shù)為M,頻率控制字的值為FM,內(nèi)部工作時鐘為Fc,最終合成信號的頻率和相位可由下式來決定:F=Fc·FM/2N,θ=2πFN/2M。其中M=32,N=5,外部輸入25MHz的時鐘,經(jīng)過內(nèi)部6倍頻后為fc=150MHz。由于不需要設(shè)置相位,所以五位相位控制字一直寫入0,頻率控制字為FM=2NxF/Fc。
3.2有效值檢波模塊
真有效值檢波電路采用ADI公司的AD637,該芯片根據(jù)真有效值計算公式,直接輸出信號的有效值電壓,原理圖如圖3所示,通過使用片內(nèi)后級濾波網(wǎng)絡(luò)可以有效減小帶內(nèi)紋波。在C_AV口接入1μF的電容,在輸入信號頻率小于1MHz時,幅度的測量誤差小于1%。精度非常高。
3.3限幅放大電路
在對信號進(jìn)行相位測量前,要先將其整形為方波。但當(dāng)信號經(jīng)被測網(wǎng)絡(luò)后幅值有較大變化,可能出現(xiàn)信號較強(qiáng)時超出后級處理芯片的測量范圍,而信號較弱時又不能夠被后級處理芯片識別的情況。由于對信號進(jìn)行頻率或者相位的測量只需要知道其周期信息,而非幅值信息,因此在把正弦信號整形成方波的模塊中,采取限幅放大,而不采用單純的LM311整形電路,可以達(dá)到更好的效果。
具體電路如圖4所示,此限幅放大電路由前級同相放大、限幅放大和電平轉(zhuǎn)換電路3部分組成。前級同相放大電路主要起到阻抗變換的作用;限幅放大電路采用二極管1N4148實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋橋式限幅。如果輸出信號幅值大于5V,橋式電路的二極管導(dǎo)通,穩(wěn)壓二極管工作,將電壓鉗位于5V左右;電平轉(zhuǎn)換電路將放大后的信號經(jīng)比較后整形為方波信號。轉(zhuǎn)換為TTL電平,便于送入后級電路處理。
由于比較器一級的輸入輸出電壓都很大,因此電路中的運(yùn)放芯片應(yīng)該選取超高擺率、輸出電流大、耐壓高的運(yùn)放。同時,為使進(jìn)入比較器的信號更加穩(wěn)定,應(yīng)選取增益帶寬積較大的運(yùn)放。綜合以上因素,選取LF356。其增益帶寬積達(dá)到5MHz,擺率12V/μs,遠(yuǎn)滿足設(shè)計要求。
4系統(tǒng)軟件的設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計部分基于單片機(jī)及FPGA為平臺,完成了鍵盤輸入、幅值測量、相位測量以及示波器顯示掃頻信號的功能。鍵盤輸入設(shè)置掃頻范圍和頻率步進(jìn)。幅值測量由10位串行AD/CTLV1544實(shí)現(xiàn),相位測量由40M晶振計數(shù),測量精度高。測量數(shù)據(jù)存于FPGA的RAM中,通過雙通道TLV5638輸出。系統(tǒng)提供兩種顯示方式,一種是通過示波器顯示整個被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻和相頻曲線,一種是通過LCD顯示特定輸入頻率的幅值和相位。由于系統(tǒng)采用的AD9851,TLV1544和TLV5638全部是串行控制的,導(dǎo)致程序有些復(fù)雜,需要嚴(yán)格控制好時序,否則容易出問題。同時考慮到程序的時間效率,應(yīng)避免冗余代碼,在能用移位運(yùn)算的情況下避免使用乘除運(yùn)算。掃頻測量流程如圖5所示。
5測試方法和結(jié)果
為了驗證該頻率特性測試儀的性能,用一個中心頻率5kHz的雙T網(wǎng)絡(luò)作為被測網(wǎng)絡(luò)。手動輸入某一頻率,通過液晶顯示該頻率點(diǎn)所對應(yīng)的幅值和相位。幅度測量精度能夠達(dá)到5%,相位測量精度1°。設(shè)置掃頻信號頻帶范圍為1~10kHz,其中頻率步進(jìn)為10Hz。從示波器上顯示雙T網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線如圖6。
6結(jié)束語
本系統(tǒng)比較好地完成測量某一特定網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性的功能,幅頻特性和相頻特性能夠準(zhǔn)確測量與顯示。系統(tǒng)可以在全頻范圍和特定頻率范圍內(nèi)自動步進(jìn)測量,可手動預(yù)置測量范圍及步進(jìn)頻率值。用LCD顯示5位的頻率值,3位的電壓值及三位的相位值(另以一位作符號顯示)。示波器上可同時顯示幅頻和相頻特性曲線。整個系統(tǒng)在單片機(jī)和FPGA的有機(jī)結(jié)合、協(xié)同控制下,工作穩(wěn)定,測量精度高,人機(jī)交互靈活。