基于AD9854與STM32設(shè)計(jì)的頻率特性測試儀

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，頻率特性測試儀作為現(xiàn)代電子測量領(lǐng)域的一種重要工具，其設(shè)計(jì)理念也在不斷地革新。頻率特性測試儀是一種測試網(wǎng)絡(luò)或者電路的頻率特性的儀器，又稱掃頻儀;可以用來測量信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)放大電路及濾波電路等雙端口網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性與相頻特性。由于在傳統(tǒng)的掃頻儀設(shè)計(jì)方法中，被測網(wǎng)絡(luò)幅頻特性與相頻特性的獲取，需要通過不同的電路模塊分別進(jìn)行峰值檢測與相位差測量，導(dǎo)致其系統(tǒng)由多個(gè)模塊構(gòu)成，電路復(fù)雜且體積較大。因此本文設(shè)計(jì)了一種新的頻率特性測試儀，其采用直接頻率合成（DDS）芯片AD9854產(chǎn)生正交掃頻信號(hào)，并以低功耗單片機(jī)STM32作為任務(wù)控制與數(shù)據(jù)處理的核心部件。

1.總體方案

該頻率特性測試儀的設(shè)計(jì)基于零中頻正交解調(diào)原理，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)采用DDS集成芯片AD9854產(chǎn)生正交掃頻信號(hào)，該芯片內(nèi)部整合了兩路高速、高性能正交D/A轉(zhuǎn)換器，通過數(shù)字化編程即可輸出I、Q兩路合成信號(hào)。將這兩路信號(hào)分別通過七階橢圓低通濾波器LBP1進(jìn)行整形，然后通過放大隔直電路，獲得幅度滿足要求的正交信號(hào)，再對(duì)被測雙端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行基于正交解調(diào)原理的掃頻測量。

設(shè)通過放大隔直電路后，該正交信號(hào)的同相分量u1=A1cosωt，正交分量uQ=A1sinωt。設(shè)被測網(wǎng)絡(luò)的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)（），那么同相分量u1通過被測網(wǎng)絡(luò)后獲得的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)電壓：

假設(shè)模擬乘法器增益系數(shù)為K，則經(jīng)過模擬乘法器后，同相分量支路的輸出為：

正交分量支路的輸出為：

經(jīng)低通濾波器LBP2，濾掉各支路信號(hào)中的和頻分量，假設(shè)低通濾波器的通帶內(nèi)增益為B，則濾波后同相分量與正交分量分別為：

I、Q兩路信號(hào)經(jīng)ADC采樣后，在STM32中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過計(jì)算可得相移與電壓增益分別為：

設(shè)計(jì)中使乘法器增益系數(shù)、正交信號(hào)振幅的平方A12與低通濾波LBP2通帶內(nèi)增益三者之積為2，可以很方便地計(jì)算出Av。針對(duì)點(diǎn)頻輸入信號(hào)，利用式（5）、（6）可以獲得該頻率信號(hào)通過被測網(wǎng)絡(luò)的電壓增益和相移，而針對(duì)掃頻輸入信號(hào)，則可以獲得被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性曲線。

圖1中加法電路的作用是進(jìn)行電平調(diào)整，為后續(xù)的ADC數(shù)據(jù)采集提供合適的信號(hào)電壓，本設(shè)計(jì)采用STM32片內(nèi)ADC進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，其電壓測量范圍為0.0～3.3V。I、Q兩支路信號(hào)通過模擬乘法器和低通濾波后，獲得信號(hào)電壓的范圍為﹣1.0～+1.0v，因此需經(jīng)加法電路抬高其電平，使其滿足采樣要求。AD轉(zhuǎn)換后，應(yīng)用STM32對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過LCD顯示幅頻和相頻特性。

2.硬件電路

2.1正交掃頻信號(hào)產(chǎn)生電路

采用數(shù)字頻率合成芯片AD9854產(chǎn)生掃頻信號(hào)，該芯片在高穩(wěn)定度時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，可產(chǎn)生頻率、相位、幅度可編程的正、余弦信號(hào)，其允許輸出的信號(hào)頻率高達(dá)150MHz。筆者對(duì)AD9854外圍電路的設(shè)計(jì)如圖2所示。AD9854的參考時(shí)鐘引腳69連接30MHz有源晶振，通過程序設(shè)置片內(nèi)鎖相環(huán)，對(duì)其進(jìn)行10倍頻，可獲得300MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘。

圖2 正交掃頻信號(hào)產(chǎn)生電路

AD9854芯片內(nèi)部帶有兩個(gè)高速的正交DAC，可同時(shí)輸出I、Q兩路正交信號(hào)，兩DAC輸出通過相位補(bǔ)償互相影響，保持90°的相位差。AD9854的I、Q兩路DAC滿量程輸出電流的幅度由第56引腳連接的電阻RSET控制，RSET的阻值計(jì)算公式如下：

其中，IOUT為DAC滿量程輸出電流的振幅，該參數(shù)需合理設(shè)置，以使正交DAC獲得最佳的窄帶無雜散動(dòng)態(tài)范圍。本設(shè)計(jì)中RSET電阻取3.9kΩ，則IOUT為10mA。圖2中，I、Q兩路連接輸出電阻R5、R6均為50Ω，則DDS輸出最大電壓幅值為500mV。

I、Q兩路DAC的正交信號(hào)輸出端IOUT1、IOUT2需接低通濾波器，筆者設(shè)計(jì)了七階橢圓低通濾波器，該濾波器過渡帶下降迅速，其截止頻率為100MHz，通帶波紋則為0.05dB，阻帶最小衰減為50dB。該橢圓濾波器主要用于平滑信號(hào)，同時(shí)濾除高頻干擾和DDS諧波雜散信號(hào)。

2.2STM32與AD9854接口電路

采用低功耗單片機(jī)STM32F103作為任務(wù)控制核心，其與AD9854的接口電路如圖3所示。STM32F103是一款基于ARM CortexTM-M3內(nèi)核的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC處理器，具有32位硬件除法器和單周期乘法器，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，滿足本設(shè)計(jì)中關(guān)于數(shù)據(jù)處理部分的要求。且其I/O端口豐富，還具有3個(gè)12位的ADC，便于數(shù)據(jù)采集。同時(shí)該芯片采用3.3V單電源供電，可直接對(duì)AD9854的引腳進(jìn)行讀/寫操作，無需額外的電平轉(zhuǎn)換電路，簡化了硬件設(shè)計(jì)。

圖3 STM32與AD9854的硬件連接

STM32F103與AD9854之間采用并行通信方式，AD9854的八位雙向并行編程數(shù)據(jù)輸入端口D［7：0］與STM32F103的PC口低8位相接，AD9854的六位并行地址總線輸入引腳A［5：0］與STM32F103的PC［13：8］相接。AD9854內(nèi)部設(shè)有40個(gè)8位寄存器，地址范圍為00H～27H，用于存儲(chǔ)控制字與狀態(tài)字。通過向這些內(nèi)部寄存器寫人數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9854的工作控制，包括工作模式、輸出信號(hào)頻率、相位及幅度等。AD9854的控制字可通過STM32設(shè)定寄存器地址A［5：0］和數(shù)值D［7：0］，在WR信號(hào)的下降沿和上升沿寫入。

2.3模擬乘法器電路

乘法電路設(shè)計(jì)采用高速模擬乘法器AD835，它是一款完備的四象限電壓輸出模擬乘法器，3dB帶寬達(dá)到250MHz，且乘積噪聲低，其外圍電路設(shè)計(jì)如圖4所示。AD835的輸入電壓范圍為﹣1.0～+1.0V，具有兩個(gè)差分輸入端，分別為X1、X2和Y1、Y2，設(shè)計(jì)中將差分輸入的一端接地，另一端接乘法信號(hào)。該芯片將X、Y兩個(gè)輸入信號(hào)相乘后與Z引腳輸入電壓相加，再經(jīng)放大電路，由W引腳輸出。為保證AD835乘法器的乘性系數(shù)K=1，R1、R2的接法如圖4所示。調(diào)整R2，使R1/R2=20，此時(shí)乘法器的輸出W=XY+Z，將Z端接地，只進(jìn)行乘法運(yùn)算，則最終輸出W=XY。設(shè)計(jì)中為了保證輸入AD835的信號(hào)X、Y滿足幅值要求并且不包含直流分量，在低通濾波器LBP1后，增加一級(jí)由超高速運(yùn)放AD8009構(gòu)成的同相比例放大器，并采用隔直電容去除信號(hào)中的直流分量。

圖4 模擬乘法器外圍電路

2.4二階有源低通濾波器

低通濾波器LBP2采用二階有源低通濾波器，該濾波器的作用是濾掉正交調(diào)制過程中產(chǎn)生的頻率為2ω的信號(hào)分量。設(shè)掃頻時(shí)間為Ts，共掃描N個(gè)頻點(diǎn)，則掃描每個(gè)頻點(diǎn)的時(shí)間為Ts/N，選取4倍時(shí)間常數(shù)，低通濾波器的截止頻率fo=4N/Ts，本設(shè)計(jì)中掃頻時(shí)間Ts取2s，頻點(diǎn)數(shù)最大取500，計(jì)算得fc為1kHz。為保證余量，設(shè)計(jì)中選取截止頻率fc=2kHz。筆者采用精密運(yùn)算放大器0P27設(shè)計(jì)二階Butterworth低通濾波器，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用Sallen-Key結(jié)構(gòu)，且電壓增益為2。

3.軟件部分

系統(tǒng)的軟件部分主要包括系統(tǒng)主程序、鍵盤掃描子程序、AD9854控制子程序、模/數(shù)轉(zhuǎn)換子程序及液晶顯示子程序等。主程序首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，配置STM32的GPIO端口，初始化LCD、AD9854和片內(nèi)ADC，然后等待按鍵輸入，進(jìn)行測量模式選擇。模/數(shù)轉(zhuǎn)換子程序?qū)ζ瑑?nèi)ADC進(jìn)行配置，并實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頻、掃頻測量數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和多次采樣確認(rèn)。液晶顯示子程序完成幅頻、相頻特性的顯示、清屏及字符顯示等功能。AD9854控制子程序完成DDS芯片工作模式選擇、正交掃頻信號(hào)頻率設(shè)置及掃頻信號(hào)振幅設(shè)置等功能。軟件主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程

限于篇幅，只列出關(guān)于AD9854工作模式設(shè)置和正交信號(hào)幅度、頻率設(shè)置的部分程序代碼：

//設(shè)置AD9854工作模式選擇為single—tone，對(duì)參考時(shí)鐘進(jìn)行10倍頻，由PIN20引腳外部刷新頻率

unsigned cha rmodel［4］={0x00，0x4A，0x00，0x60};

//默認(rèn)初始頻率1MHz，頻率字FW根據(jù)公式fOUT=（fSYSCLK×FW）/2N計(jì)算得出

unsigned char freq［6］={0x00，0xDA，0x74，0x0D，0xA7，0x41};//信號(hào)頻率控制字

unsigned char signalAM1［2］={0xFf，0Xff};//信號(hào)幅度控制字

unsigned char signalAM2［2］={0XFf，0Xff};//信號(hào)幅度控制字

AD9854一Reset（）;

AD9854一SetSpecialWord（mode1）;//設(shè)置AD9854的工作模式

AD9854一SetOutkeyI（signalAM1）;//設(shè)置1支路信號(hào)振幅

AD9854一SetOutkeyQ（signalAM2）;//設(shè)置Q支路信號(hào)振幅

AD9854一SetFreql（freq）;//設(shè)置正交信號(hào)頻率

AD9854一IOUpdate（）;//頻率刷新

其中調(diào)用的部分子程序如下：

結(jié)束語

本文總結(jié)了采用AD9854與STM32設(shè)計(jì)的頻率特性測試儀，該測試儀可以進(jìn)行點(diǎn)頻測量和1～50MHz的掃頻測量，可以手動(dòng)預(yù)置測頻范圍和步進(jìn)頻率，并在320×240彩色液晶屏上顯示幅頻特性和相頻特性曲線。系統(tǒng)界面友好，工作穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，并滿足低功耗的要求。由于掃頻測量法是一種穩(wěn)態(tài)測量方法，它需要等到被測網(wǎng)絡(luò)輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)后才能測量。因此本設(shè)計(jì)中并沒有設(shè)置太快的掃頻測量速度，并且在STM32發(fā)送頻率控制字與獲取ADC采樣轉(zhuǎn)換值之間進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难訒r(shí)。否則如果被測網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)建立時(shí)間長，而掃頻測量速度太快，會(huì)形成建立誤差，使測得的特性曲線畸變失真。
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