简易频率特性测试仪 陈硕组报告.doc

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简易频率特性测试仪
摘要：本零碎以MSP430单片机为核心，由DDS频率合成器及其调理电路、RLC被测网络、高速乘法器、低通滤波、高精度ADC及显示电路等构成。高速DDS频率合成器AD9854产生两路正交信号，其中一路通过RLC谐振网络，其输出的信号与原始两路正交信号分别通过乘法器构成两路带有直流分量的混频信号，通过低通滤波提取出该直流信号进入数模转换器，根据公式AMP=和Ang=即可得出原始信号通过谐振网络后得到的幅度与相位值，通过扫频测试即可得到幅频与相频曲线。经测试，本设计满足题目所有基础部分和部分发挥部分要求。
关键字：DDS、待测网络、高速乘法器、MSP430f169

零碎方案
全体方案设计
本零碎设计由DDS频率合成器AD9854实现两路正交信号的产生，其中一路信号经过被测网络产生待测信号，待测信号与原始的两路正交信号都通过比较器构成方波，再将该待测信号与原始正交信号通过锁相放大电路产生两路带有直流分量的待测信号信号，经过低通滤波构成纯耿直流信号后根据AMP=得到幅度，Ang=得到相角。
零碎框图：
图1-1零碎框图
2、DDS方案的论证与选择
方案一：模拟器件实现。采用AD公司AD9854高速DDS模拟器件，通过单片机编程，写入频率控制字和相位控制器，实现不同频率相位的波形输出。
方案二：线上可编程逻辑器件构成。通过FPGA，构建内部DDS模块，编程控制频率及通过DA输出产生相应的波形。
方案一通过单片机控制，程序简单，AD9854内部时钟速率最高为300MHz，且该芯片输出误差及输出失调都较小，完全可以满足题目要求。方案二中若想输出高频波形，则需将FPGA时钟进行倍频，这样会导致输出的频率值不能满足本题0.0001的误差范围，同时对DA的要求非常高，综上所述，我们采用方案一。
3、乘法器方案的论证与选择
方案一：利用运放、比较器、电子开关等搭建乘法器。采用两路同相和反向输入放大器做为输入放大，经过比较器将参考信号转为方波信号。电子开关用作相敏解调，最初通过输出放大和低通滤波得到乘法输出。
方案二：采用集成的模拟乘法器芯片AD835，它作为一款电压输出型四象限模拟乘法器，带宽高达250MHz，其外围电路非常少，配置简单。
方案一理论很容易但是电路结构较复杂，本题要求信号达到40M，搭建的电路很难满足要求。而集成的乘法器IC外围电路简单，且足以带宽也完全满足要求。综上，我们采用方案二做为乘法器的设计方案。
低通滤波方案的论证与选择
方案一：使用有源低通滤波器，用TI公司的OPA227运放搭建一个有源低通滤波器，设计截止频率为1Hz,尽可能保留直流分量。
方案二：使用巴特沃兹无源低通滤波器，通过RC网络构成地通过滤波，滤去交流成分，保留直流分量。
由于本零碎中没有低频噪声，交流分量较为固定，不须设计高阶滤波器。方案一虽然有源滤波搭建较为麻烦，但可保证通带内直流信号没有衰减，且OPA227运放输入失调电压很小，基本可以保证输入直流信号没有变化，而方案二用RLC网络虽然电路搭建简单，但通带会有衰减，对信号的保真度低，会构成明显的误差，综合考虑,本零碎选用方案一。

二、零碎理论分析与计算
1、全体方案分析及计算
该零碎设计目的是检测RLC网络的幅频特性及相频特性。为实现该目的，先用AD9854DDS信号合成器发出两路正交的初始信号（Acosx、Asinx），该信号频率从1M到40M可调，由Acosx一路通过待测的RLC谐振网络产生谐振信号，该信号分别与原始的两路正交信号通过乘法器相乘构成两路混频信号进行锁相放大再滤波，提取出两路直流电压，根据公式AMP=与Ang=分别得到待测网络的幅频与相频特性。

2、锁相放大器分析
锁相放大提取信号利用相关检测技术，根据相关性原理，通过自相关或互相关运算，以最大限制地紧缩带宽、按捺噪声，完成微弱信号的检测，主要由相敏检波部分和低通滤波部分构成。
若锁相放大器输入信号为：

参考信号为：

其中，QUOTE和QUOTE分别为输入信号和参考信号的频率，QUOTE和QUOTE为对应相位角，QUOTE和QUOTE为对应幅值。两路信号进入相敏检波后进行乘法，输出为：

QUOTE
上式表明，相敏检波器的输出包括两部分，前者为Us与Ur的差频分量，后者为和频分量。当被测的有用信号与参考信号同步时，即f1=f2时，差频为零，这时候差频分量变成相敏直流电压分量,而和频分量为倍频。通过低通滤波滤除倍频分量，从而使输出变为：

所以，当被测有用信号与参考信号频率f2=f1时，则上式中存在直流分量，即锁相放大器的直流输出：

滤波器设计
在本零碎中