简易频率特性测试仪 陈硕组报告.doc

10简易频率特性测试仪摘要：本系统以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形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系统方案总体方案设计本系统设计由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形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形成纯正直流信号后根据AMP=得到幅度Ang=得到相角。系统框图：图1-1系统框图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后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。因为本系统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造成明显的误差综合考虑本系统选用方案一。二、系统理论分析与计算1、整体方案分析及计算该系统设计目的是检测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形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度地压缩带宽、抑制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：其中和分别为输入信号和参考信号的频率和为对应相位角和为对应幅值。两路信号进入相敏检波后进行乘法输出为：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：滤波器设计在本系统中信号从乘法器输出之后是一个带有直流分量的混频信号为了使后级AD采样时采得准确的谐振信号电压需要对该谐振信号进行滤波因为本系统没有低频噪声直流信号中混杂的交流分量也较为固定故利用TI公司的高精度低噪声运放OPA227设计二阶有源低通滤波器截止频率为1Hz即可满足要求。由截止频率计算公式ω=1=取R=16KC=10uF。实践证明设计两个串联的一阶低通滤波其效果要好于单独用一个运放设计两