基于FPGA的频率特性测试仪的设计

2013-05-06 16:25:58来源: 电子设计工程 关键字:DDS  正弦信号  频率特性
    在电子测量中,经常需要对电路网络的阻抗特性和传输特性进行测量,其中传输特性包括增益和衰减特性、幅频特性、相频特性等。用来测量这些特性的仪器称为频率特性测试仪,简称扫频仪。目前市场上频率特性测试仪有模拟式和数字式两种,它们都存在体积大、价格贵、操作复杂的缺点,在实际应用中用户很难接受。本文采用了现场可编程门阵列(FPGA)及外围测量电路设计了一种简易便携式的频率特性测试仪,其性能上能满足大部分系统要求的频率响应特性的测量,具有较高的实用价值。

1 系统总体设计
   
本系统以FPGA以核心,由扫频信号源、测幅电路、测相电路、有效值检测、整形电路、LCD触摸屏等模块构成。系统总体结构框图如图1所示。系统工作时,由扫频信号源输出频率可步进的正弦信号作为被测网络的输入信号,信号经过被测网络一路送到有效值检测电路中进行幅值检测,该幅度值与与扫频信号源输出信号的幅值进行比较,得到该点的幅频响应;另一路信号送到整形电路限幅整形后送至FPGA内部的测相电路进行相位差的测量,将相位差与信号的整个周期进行比较,就可以得到该点的相频响应。

a.JPG



2 系统主要模块设计
2.1 扫频信号源的设计
   
直接数字式频率合成DDS具有相对带宽高,频率转换时间短,频率分辨率高,及输出相位连续,频率、相位和幅度均可实现程控的优点,扫频信号源选择采用DDS信号源。实现过程如图2所示,将待产生的正弦波数据存入波形存储器中,在时钟信号fclk的控制下,通过由频率控制字M控制的相位累加器输出相位码,将存储于波形存储器中的波形量化采样数据值读出,经D/A转换成模拟信号,再经低通滤波器滤去除D/A转换带来的小台阶数字电路产生毛刺,获得高精度、高纯度的正弦信号。

b.JPG


    输出信号的频率可由公式:fout=(fc/k)/2N×M计算得到,通过改变分频比k及相位累加器步长M可以改变出信号的频率。本设计中取fc=32.768 MHz,分频比k=5,相位累加位数N=16.则频率步进最小值为:
    c.JPG
    考虑到DDS的输出存在杂散噪声,信号源最大输出频率选定为1 MHz。
    数模转换采用TI公司的8位D/A芯片,其转换周期为100 ns;LPF低通滤波器采用凌特公司的1 MHz/500 kHz五阶连续时间低噪声低通椭圆滤器LTC1560-1,电路连接使其工作在截止频率为1 MHz。电路如图3所示。

e.JPG


2.2 幅频特性测量模块
   
该模块首先对被测网络的输出信号进行峰值检测,检测出来的峰值经A/D转换器量化成数字信号,送入到FPGA内部的测幅电路中完成处理运算得到网络的幅频特性。峰值检测选用LF398构成采样-保持电路,对输入和输出信号进行采样,筛选出峰值并予以保持。A/D转换选用TI公司生产的8位闪速结构数模转换器TLC5510,它采用CMOS工艺制造,可提供最小20 MS/s的采样率。峰值检测及A/D转换电图如图4所示。

f.JPG

[1] [2]

关键字:DDS  正弦信号  频率特性

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2013/0506/article_7272.html
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