频率特性测试仪在测试网络的频率响应中的设计

内部工作时钟为Fc，最终合成信号的频率和相位可由下式来决定：F=Fc·FM/2N，θ=2πFN/2M。其中M=32，N=5，外部输入25MHz的时钟，经过内部6倍频后为fc=150MHz。由于不需要设置相位，所以五位相位控制字一直写入0，频率控制字为FM=2NxF/Fc。

3.2有效值检波模块

真有效值检波电路采用ADI公司的AD637，该芯片根据真有效值计算公式，直接输出信号的有效值电压，原理图如图3所示，通过使用片内后级滤波网络可以有效减小带内纹波。在C_AV口接入1μF的电容，在输入信号频率小于1MHz时，幅度的测量误差小于1%。精度非常高。

3.3限幅放大电路

在对信号进行相位测量前，要先将其整形为方波。但当信号经被测网络后幅值有较大变化，可能出现信号较强时超出后级处理芯片的测量范围，而信号较弱时又不能够被后级处理芯片识别的情况。由于对信号进行频率或者相位的测量只需要知道其周期信息，而非幅值信息，因此在把正弦信号整形成方波的模块中，采取限幅放大，而不采用单纯的LM311整形电路，可以达到更好的效果。

具体电路如图4所示，此限幅放大电路由前级同相放大、限幅放大和电平转换电路3部分组成。前级同相放大电路主要起到阻抗变换的作用;限幅放大电路采用二极管1N4148实现负反馈桥式限幅。如果输出信号幅值大于5V，桥式电路的二极管导通，稳压二极管工作，将电压钳位于5V左右;电平转换电路将放大后的信号经比较后整形为方波信号。转换为TTL电平，便于送入后级电路处理。

由于比较器一级的输入输出电压都很大，因此电路中的运放芯片应该选取超高摆率、输出电流大、耐压高的运放。同时，为使进入比较器的信号更加稳定，应选取增益带宽积较大的运放。综合以上因素，选取LF356。其增益带宽积达到5MHz，摆率12V/μs，远满足设计要求。

4系统软件的设计

系统软件设计部分基于单片机及FPGA为平台，完成了键盘输入、幅值测量、相位测量以及示波器显示扫频信号的功能。键盘输入设置扫频范围和频率步进。幅值测量由10位串行AD/CTLV1544实现，相位测量由40M晶振计数，测量精度高。测量数据存于FPGA的RAM中，通过双通道TLV5638输出。系统提供两种显示方式，一种是通过示波器显示整个被测网络的幅频和相频曲线，一种是通过LCD显示特定输入频率的幅值和相位。由于系统采用的AD9851，TLV1544和TLV5638全部是串行控制的，导致程序有些复杂，需要严格控制好时序，否则容易出问题。同时考虑到程序的时间效率，应避免冗余代码，在能用移位运算的情况下避免使用乘除运算。扫频测量流程如图5所示。

5测试方法和结果

为了验证该频率特性测试仪的性能，用一个中心频率5kHz的双T网络作为被测网络。手动输入某一频率，通过液晶显示该频率点所对应的幅值和相位。幅度测量精度能够达到5%，相位测量精度1°。设置扫频信号频带范围为1～10kHz，其中频率步进为10Hz。从示波器上显示双T网络的频率特性曲线如图6。

6结束语

本系统比较好地完成测量某一特定网络的频率响应特性的功能，幅频特性和相频特性能够准确测量与显示。系统可以在全频范围和特定频率范围内自动步进测量，可手动预置测量范围及步进频率值。用LCD显示5位的频率值，3位的电压值及三位的相位值(另以一位作符号显示)。示波器上可同时显示幅频和相频特性曲线。整个系统在单片机和FPGA的有机结合、协同控制下，工作稳定，测量精度高，人机交互灵活。