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

，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。

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°。

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。