数字控制幅频特性测试仪的技术研究

摘要：文章以ARM微处理器为核心，采用直接频率合成技术，设计了一种低频高精度的幅频特性测试仪。系统以直接数字频率合成器AD9851作为扫频信号源，用真有效值转换芯片AD637实现对被测网络的幅频特性的测量，经ARM采样与处理，最后得到被测网络的幅频特性曲线。实验结果表明，本系统不仅能实现各种测试功能，而且测试频率能提高到8MHz。因此本系统为现代电子科研实验室提供了一种高精度和有较高实用价值的低频幅频特性测试仪。
关键词：幅频特性；直接数字频率合成；真有效值；模／数转换

0 引言
电子测量中，我们经常会遇到对网络的阻抗和传输特性的测量。幅频特性就是重要的传输特性之一，它也是各种电路系统及电子仪器的重要性能指标，是一个网络性能最直观的反映。幅频特性测试仪被广泛应用于电子工程等领域，尤其是模拟和高频、射频电子线路中。
传统的幅频特性测试仪大多是用LC电路构成的扫频振荡器，其结构复杂、体积庞大、价格昂贵、功能单一、操作不便、性价比较低。其方法是在一系列规定的频率点上，逐点测量网络增益，从而确定幅频特性曲线。用这种方法得到的幅频特性曲线比较精确，但其缺点是操作繁琐、工作量大、容易漏测某些细节，不能反映出被测网络的动态特性。而现有的幅频特性测试仪也不能很好地满足用户的需求，要么存在设备体积大、易有故障、并且操作复杂等缺点，难以满足尤其是现场自动测试的要求，要么就是结构复杂、价格昂贵、维护困难。因此，对于数字化、智能化、高性能幅频特性测试仪的需求量日益增大，基于此原因本文设计了基于ARM的数字幅频特性测试系统。

1 系统方案实现
传统的数字幅频特性测量仪是通过测量频率得到正弦信号的峰峰值，然后通过计算得到幅度。这样为了保证A／D采样的精度，一般在进入A／D采样之前，需要对被测信号进行幅度调理，确保被测峰峰值在A／D采样的电压范围内。另外，进入A／D进行采样的信号必须满足抽样定理，即fs≥2fi，所以在进入A／D采样之前必须用低通滤波器对其滤波，以防止频谱混叠而影响测量结果。此方案具有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优点，但调试困难，A／D采样困难且计算量大，增加了软件难度。由于预先不知道被测网络的频响特性，故扫频信号通过被测网络后可能发生很多种未知的变化，本文采用集成真有效值变换芯片，直接输出被测信号的真有效值。这样可以实现对任意波形的有效值测量。系统框图如图1所示。

2 系统的硬件电路设计和软件编写
2．1 供电电路设计
根据系统性能的要求，需要设计±5V和+3．3V的直流稳压电源，而且要求电源的纹波应尽量的小，以减少对输出信号的干扰。电源采用桥式全波整流、大电容滤波和三端稳压器件稳压的方法产生±5V和+3．3V直流电压，固定输出的三端稳压芯片为LM7805和LM7905。稳压管的输出通过电容和电感滤波；数字部分与模拟部分用电感隔离，这样就可以得到纹波系数很小的直流电压，其中±5V供电具体电路如图2所示。

2．2 扫频信号电路设计
扫频信号源在频率特性测试仪中有着重要的地位，它的各项性能指标直接关系到整个测试系统所能达到的性能要求。其扫频信号的中心频率都应当是被测网络通频带的中心频率，扫频宽度应稍大于被测网络的带宽。为此要求扫频信号源的中心频率及扫频宽度均可独立调节。而具有高集成度的DDS芯片AD9851内部包含高速、高性能D／A转换器及高速比较器，可作为全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。外接精密时钟源时，AD9851可以产生一个频谱纯净、频率和相位都可以编程控制且稳定性很好的模拟正弦波，这个正弦波能够直接作为基准信号源。AD9851可直接与STM32接口，通过程序来进行控制。实际电路中，AD9851采用高速并行接口工作方式，STM32利用并行方式对AD9851进行控制，其频率和相位控制字直接写入数据输入寄存器中。AD9851芯片采用±5V供电，外部时钟采用30MHz晶体，内部寄存器控制6倍频，信号输出为恒流源。RSET引脚用来配置其内部D／A转换器的满度输出电流值。从AD9851的数据手册中可知，DAC满幅输出电流为Iout=39．93／ Rset。
本设计电路中RSET引脚直接连接一个3．9k Ω的电阻，故根据输出电流计算公式可得到数模转换器的满幅输出电流IOUT为10mA。IOUTB引脚是IOUT引脚的互补输出端，它可输出与IOUT引脚相同的电流，即10mA的正弦交流信号。电路中IOUT、IOUTB引脚外接的输出电阻值为100kΩ形成高阻差分输出状态。具体电路设计如图3所示。

2．3 信号调理电路
由于AD9851芯片内部的D／A为电流输出型，因此设计中必须做电流对电压的转换，本系统设计采用AD811进行功率放大和电流对电压转换。AD811是美国模拟器件公司推出的一种宽带电流反馈运算放大器，具有高速、高频、宽频带、低噪声等优异特性。其AD811信号调理电路图如图4所示，在图3电路中设计输入电阻R4、R5均为100 Ω，与AD9851输出进行阻抗匹配，得到AD811的差分输入峰峰值为1V的正弦波电压。AD811组成的差分放大电路可将电压信号稳幅放大5倍，输出电阻为100 Ω。