基于89C55和FPGA的最小系统频率特性测试仪
信号间周期性切换进行测幅。
3.3 放大整形及相位测量模块
由于经过双T网络输出的信号幅度衰减很大,而信号经过过零比较器的传输时间为
![](../img/eep/emb/emb-552363kkweiyl2ar.jpg)
,式中,G0为过零检测器的直流增益;fP1是第一个响应极点;f为信号频率;VP是信号幅值。由该式可以看出,幅度与相移成反比,所以在经过比较器前要加一级放大,采用的是可变增益放大芯片AD603构成的自动增益控制电路,当输入信号峰一峰值在400 mV~7 V,频率在6 MHz以下,输出信号稳定平坦。在此次应用的实际电路中,将有效值从200 mV~3.5 V,频率从30 Hz~3 MHz的输入信号无失真的都放大到1.72 V。由于DDS输出电压为1.72 V,所以只需放大处理经过网络后的信号。另外,由于前级为双T网络中的射随,故不需做阻抗匹配。AGC(自动增益控制)电路如图7所示。
输出信号经过由LM311构成的零点附近的滞回比较器整形后给FPGA,进行相位测量。经过放大整形后的两路信号先经过一级极性判别电路,通过读取D触发器的输出电平来判断从双T网络输出的信号相位相对于原信号相位超前还是滞后,VOUT输出为高电平时超前,反之为滞后。同时将两个信号送入异或门,得到脉冲信号,测量脉冲信号的宽度,再通过计算就可以得到相位差。当脉冲的宽度很小时,为达到设计要求,标准脉冲的频率要求很高。设计时使用的是40 MHz的晶振,所以得到相位差的表达式为度。
3.4 示波器显示模块
将幅频相频信息加至y轴,频率锯齿波加至x轴。D/A转换采用12位串口电压输出型可程控偏压的数/模转换芯片TLV5638。
4 测试数据与分析
4.1 测试数据结果
测试数据结果如表1所示。
![](../img/eep/emb/emb-55237srgk0smda3m.jpg)
4.2 数据分析
经过测量,双T网络的幅频及相频特性曲线如图8所示。在幅频特性曲线中,横坐标代表频率,一格代表1 kHz;纵坐标代表增益,一格代表0.5倍。在相频特性曲线中,横坐标代表频率,一格代表1 kHz;纵坐标代表相位,一格代表5°。
![](../img/eep/emb/emb-55238qcs3s22uxgu.jpg)
4.3 误差分析
4.3.1 相位测量误差分析
(1)计数误差。计数器总会存在±1的误差,这个误差是方案本身存在的,无法消除,采用改进的计数方案虽无法消除误差,但可减小误差的影响。
(2)前级处理引入的误差。采用计数法测相前需要对输入的两路信号进行限幅放大、电平转换等处理,由于难以保证处理两路信号的电路线形度完全一致,因此会引入误差。另外在电平转换时,比较器会影响转换的方波上升沿或下降沿不稳定,影响计数结果。
(3)两信号相异或后,用计数法测相位差,其标准时钟信号由晶振产生,采用40 MHz晶振,其晶振频率稳定度也会影响测量结果。
(4)相差测量精度还可以提高。如果相位差精度要达到0.1°,正弦波表数据应该至少储存360×10个点,但这里只储存了1 024个点。
(5)扫频DDS部分还可以提高扫频精度。可以提高FPGA内部时钟频率来提高扫频精度,扫频参考时钟采用10 MHz,因为D/A转换部分是采用转换速度为100 ns的DAC0800,因此完全可以进一步提高参考时钟的频率,DAC0800转换速度完全可以达到。
4.3.2 幅度测量误差分析
幅度测量是采用真有效值检波,AD637芯片本身在检测有效值时存在固定偏差,但对前后信号产生的偏差一致,而且可以通过软件对测量结果进行校准。
5 总结分析与结论
实验表明,DDS信号发生部分扫频范围100 Hz~100 kHz,频率步进10 Hz。用户可以通过按键选择定点测量或特定频率段扫频测量,并能通过LCD显示预置频率、网络前后信号幅值、相位差及其极性,还可在示波器上显示幅频特性和相频特性曲线。此外,可以方便地实现定点测量及特定频率段测量,能够很好地帮助理解频率特性,且其可扩展性好,设计出来的产品体积小,易携带,适合教学等领域的应用。
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