智能化频率特性测试仪系统组成及应用

2012-10-15 10:11:25来源: 21ic

传统扫频仪的信号源大多采用LC电路构成的振荡器,大量使用分立元器件来实现各功能,显示部分采用传统的扫描显示器。因此传统结构的扫频仪不仅结构复杂、体积庞大、价格昂贵、操作复杂,而且由于各元件分散性大,参数变化容易受外部环境变化影响,精度不高。目前,以Agilent等为代表的仪器生产厂家提供了多种高性能的频率特性测试仪。但其产品主要集中在射频、微波等高频领域,中低频段的产品相对缺乏。本文基于直接数字频率合成(DDS)的技术思想,采用DSP和FPGA架构的现代数字信号处理技术,设计了一台低成本,高度数字化和智能化的频率特性测试仪,实现了对20 Hz~150 MHz范围内任意频段的被测网络幅频特性和相频特性测量和显示,完成了数据存储回放和传输,-3 dB带宽计算,峰值查找等功能。幅度检测精度达到1dBm,相位检测精度1°的指标。

1 系统组成

频率特性分析仪主要包括控制和数据存储处理单元、DDS信号源单元、幅度和相位检测单元、数据采集单元、显示及交互接口单元,系统总体框图如图1所示。

 

系统总体框图

 

2 系统设计

2.1 控制与数据处理单元

ADSP—BF532和FPGA(EP1C3)是控制与数据存储处理单元的核心。DSP通过PPI、SPI和PF接口与FPGA进行双向数据通信,实现键盘读取,DDS扫描,A/D采集,LCD扫描等功能,通过UART单元与计算机实现数据传输和远程控制。FPGA完成了TFT_LCD和VGA同步显示时序转换、键盘扫描、SPI通信和信号分配等功能。另外,DSP通过EBIU单元连接AM29LV800和MT48L32M16分别作为程序与工作状态存储器和数据存储与显示缓存。工作原理如图2所示。

22.jpg

2.2 数据采集单元

数据采集单元采用多路A/D转换器将幅度和相位的模拟电压信号转换为数字信号供DSP和FPGA进行处理和传输,是模拟电路和数字电路之间的“桥梁”。本仪器中选用AD7655采集信号。该A/D转换器具有4个模拟输入通道,16位采样精度,最高采样率为1MHz。采用16位并行和SPI等传输模式。REF3125提供A/D转换器所需的2.5 V参考电压。

2.3 DDS信号源单元

DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式信号的合成技术。DDS技术建立在采样定理的基础上,它首先对需要产生的波形进行采样,将采样值数字化后存入存储器做为查找表,然后再通过查找表将数据读出,经过D/A转换器转换成模拟量,把存入的波形重新合成出来。虽然DDS系统的结构有很多种,但其基本的电路原理,如图3所示。

 

基本的电路原理

 

本仪器选用的DDS芯片AD9958是一款高性能双通道直接数字频率合成器,具有两个独立的DDS核,分别具有两个独立的32位频率控制字和14位相位控制字,一个10位的幅度控制字。内部集成PLL,芯片最高工作频率500 MHz,输出信号最高频率可达180 MHz。DSP通过SPI和PF接口经FPGA信号分配逻辑对AD9958进行频率、相位和幅度控制字的配置,如图4所示。

 

控制字的配置

 

AD9958采用25 MHz外部时钟输入,经内部PLL倍频后产生500 MHz内核工作时钟。输出信号为两路同频的正弦和余弦信号。为避免数字噪声对信号产生干扰,芯片的3.3 V数字供电与模拟供电部分需采用型网络隔离,并对模拟地接小电阻到地平面以隔离干扰。由于芯片输出为电流信号,需采用51Ω上拉到1.8 V转换为电压信号,经LFCN—160集成滤波器滤除高频噪声,并采用差分运放AD8312抵消共模噪声。输出信号电平范围为-10~-3 dBm。AD9958信号输出原理如图5所示。

55.jpg

2.4 输出电平调节单元

本仪器设计的信号源输出电平范围为-87~13 dBm。而前级DDS信号源单元的输出信号电平范围为-10~-3 dBm,因此需要对前级信号进行电平调节。该单元的信号流图如图6所示。

 

单元的信号流图

 

本单元首先通过宽带运放THS3201将前级信号电平放大到12~19 dBm。然后通过可控衰减网络实现输出-87~13 dBm范围内的信号。通过控制接通不同的型电阻衰减网络来实现,如图5所示。可控衰减网络由-8 dB、-16 dB、-32 dB和-64 dB这4种型电阻衰减网络组成,通过68595驱动继电器TQ2组合出不同衰减倍数的衰减网络。

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关键字:测试仪系统  频率特性  信号源

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/1015/article_6086.html
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