2013年全国大学生电子设计竞赛简易频率特性测试仪(E)

2013年全国大学生电子设计竞赛简易频率特性测试仪（E）【本科组】2013年9月6日摘要本作品以FPGA和单片机为控制核心及数据处理核心，采用高分辨率DDS9854芯片产生1MHz-40MHz以0.1MHz为最小步进单位的任意频率正交扫描信号，其频率稳定度、幅度平衡误差、幅度平坦度及扫频时间均满足要求。通过精确的参数选择制作的RLC串联谐振电路其中心频率误差、有载品质因数、有载最大电压增益符合设计要求。利用零中频正交解调原理，经乘法器、低通滤波器、A/D转换后将信号送入FPGA控制模块运算得到被测RLC网络的幅频特性和相频特性数据，最终在液晶显示屏和示波器上同时显示幅频特性和相频特性数据及曲线。用键盘通过单片机控制系统设置点频、扫频步进和扫频频率范围，人机交互界面友好。报告中阐明了软硬件设计依据及相关电路，给出了系统功能和性能测试结果。关键词：正交解调原理；扫频；频率特性测试仪；FPGA；DDSAbstractThisworkisbasedonFPGAandsinglechipmicrocomputerasthecontrolcoreandthedataprocessingcore,usinghighresolutionDDS9854chipgenerate1MHzto40MHzanyfrequencyorthogonalscanningsignal,whosesmalleststepunitis0.1MHz.Thefrequencystability,amplitudebalanceerror,amplitudeflatnessandfrequencysweepingtimeareallsatisfythedesignrequirements.Throughchoosingthepreciseparameters,producedtheRLCseriesresonantcircuit,whosecenterfrequencyerror,loadedqualityfactor,loadedmaximumvoltagegainareallmeetthedesignrequirements.Usingthezeroifquadraturedemodulationprinciple,makethesignalthroughthemultiplier,lowpassfilter,A/Dconversioninturn,andthenputitintotheFPGAcontrolmoduletocalculatetheamplitudefrequencycharacteristicandthephasefrequencycharacteristicdataofthetestedRLCnetwork,finallyshowtheamplitudefrequencycharacteristicandphasefrequencycharacteristicdataandcurveonbothLCDscreenandoscilloscope.Usingthesinglechipcontrolledkeyboardsetpointfrequency,sweepfrequencystepandsweepfrequencyrange,italsohasfriendlyman-machineinterface.Thereportdescribesthesoftwareandhardwaredesignbasisandrelevantcircuit,thetestresultsofsystemfunctionandperformancearealsopresented.Keywords:Quadraturedemodulationprinciple,sweepfrequency,frequencycharacteristictester,FPGA,DDS目录1方案比较与选择....................................................................................11.1扫频信号产生方案.......................................................................................11.2相位检测方案...............................................................................................11.3幅值检测.......................................................................................................21.4数据处理和控制系统选择...........................................................................32理论分析与计算....................................................................................32.1系统原理.......................................................................................................32.2RLC被测网络设计.......................................................................................42.3正交解调原理...............................................................................................52.4DDS信号源...................................................................................................63电路与程序设计....................................................................................63.1椭圆滤波器设计...........................................................................................63.2乘法器电路设计...........................................................................................73.3程序设计.......................................................................................................74测试方案与测试结果............................................................................84.1测试条件与仪器...........................................................................................84.2测试方法和测试结果...................................................................................84.3测试结果分析.............................................................................................105参考文献..............................................................................................106附图：正交扫频信号源电路原理图..................................................111方案比较与选择综合分析题目要求，AD9854为具有80管脚的贴片芯片，制作DDS9854模块PCB是本题的最大难点，也是制作的重点之一。另一难点是信号源输出频率范围为40MHz时，AD的转换速度至少要在200MHz以上，这样高速的AD市场上基本找不到，价格也相当昂贵。此外，在整个电路的设计中，要考虑其成本和性价比。1.1扫频信号产生方案方案一：采用数字直接频率合成技术(DDFS)。以单片机和FPGA为控制核心，利用FPGA中的N位地址存储相应的正弦表值，通过改变频率控制字K，寻址相位累加器波形存储器的数据，以产生所需频率的正弦信号fout=fin*K/2N。该方案频率比较稳定，抗干扰能力强，但程序实现会有一定的繁琐性，并且会占用FPGA的大量资源。方案二：采用程控锁相环频率合成方案。锁相环频率合成是将高稳定度和高精确度的标准频率经过加减乘除的运算产生同样稳定度和精确度的大量离散频率，在一定程度上既解决了频率稳定精确、又解决了频率在较大范围可变的矛盾，能产生方波，通过积分电路就可以得到同频率的三角波，再经过滤波器就可以得到正弦波，但采用了多次积分电路，这种具有惰性特性的电路误差大且不能满足相频曲线和幅频曲线的输出要求，功能扩展能力有限方案三：采用数字频率发生器DDS芯片AD9854。AD9854是AD公司采用先进的DDS技术生产的具有高级集成度的DDS器件，它的最高工作时钟为300MHz，正常输出工作频率范围为0～140MHz，精度可达0.04Hz，它还具有调频和调相功能，通过单片机的适当控制便可产生高带宽的正弦波信号。根据题目要求，结合性价比，选用AD9854。该方案产生的信号频率稳定度较好，操作简易，但抗干扰性有一定的不足。综上论证比较：与DDFS及锁相环频率合成相比，采用DDS芯片合成正弦信号的频率建立与切换简单，频率单一，频率覆盖范围广，精度高，可控性强，功能扩展能力大。故采用方案三。1.2相位检测方案方案一：A/D采样查找最值法。A/D采样查找最值法。采用两片高速A/D转换器同时对输入的两路信号进行等时间等间隔采样并将其分别存储，然后对所测信号的波形数据进行分析。用单片机扫描存储在RAM中的波形数据，查找出两部分数据的最大值或最小值，计算出两片A/D转换器采集两部分波形数据的最大值或最小值的时间间隔，则信号的相位差可由下式得到：Фx=(Tx/T0)*360°其中，Tx为两路信号相临最值的时间间隔，T0为信号周期。这种方案需要用软件对大量的波形数据进行处理才能达到较高的精确度且采集时间间隔难以精确控制。方案二：FPGA鉴相法。基于FPGA数字逻辑处理功能。将待测网络的正弦信号输入和输出端分别通过一个过零比较器，对两路方波信号进行“异或”操作，所得脉冲的宽度可反映相位差的大小，这就将对信号相位差测量转化成对脉冲的占空比的测量。分别测量脉冲高电位时间内与原方波周期内的基准源脉冲数Nh与Nt。则信号相位差为：Фx＝（Nh/Nt）*360°这种方案以主控芯片的时钟信号作为计数脉冲，但原方波信号及脉冲信号都是单个不长的时间单位，其数值相对较小，故存在误差。当待测信号频率较高时误差会更大。方案三：考虑方案二中误差的主要来源，测量中采用多周期同步计数法，此方案基于方案二，对输入信号周期进行填充式脉冲计数