基于89C55和FPGA的頻率特性測試儀

摘要：為了能夠直接顯示待測網絡的幅頻相頻特性，設計了一個以89C55和FPGA構成的最小系統為控制核心的頻率特性測試儀。系統基于DDS(直接數字頻率合成)原理和多周期同步計數相位測量法，由信號發生器，被測雙T網絡，真有效值檢波，相位檢測，LCD顯示及幅頻特性曲線顯示等部分構成。其中，信號發生和相位檢測在FPGA內部實現。用戶可通過按鍵輸入需求，頻率特性曲線實時顯示于示波器上。整個系統性能穩定，界面友好，操作簡單，實現了數字化頻率特性分析。
關鍵詞：89C55；FPGA；DDS；真有效值檢波；相位測量

頻率特性是一個系統(或元件)對不同頻率輸入信號的響應特性，是一個網絡最重要的特性之一。幅頻特性和相頻特性綜合稱為頻率特性。測量頻率的方法有點頻法和掃頻法。傳統的模擬式掃頻儀價格昂貴、體積龐大，不能直接得到相頻特性，給使用帶來諸多不便。為此，設計了數字掃頻式頻率特性測試儀。

1 方案論證與選擇
1．1 方案的選擇
1．1．1 信號發生模塊
方案1：采用模擬分立元件或單片壓控函數發生器。可同時產生正弦波、方波、三角波，但由于元件分散性太大，產生的頻率穩定度較差、精度低、波形差，不能實現任意波形輸出。
方案2：采用傳統的直接頻率合成器。這種方法能實現快速頻率變換，具有低相位噪聲以及所有方法中最高的工作頻率。但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環節，導致直接頻率合成的結構復雜，并且它也無法實現任意波形輸出。
方案3：采用鎖相式頻率合成器。鎖相式頻率合成是將一個高穩定度和高精度的標準頻率經過加減乘除的運算產生同樣穩定度和精確度的大量離散頻率的技術，它在一定程度上解決了既要頻率穩定精確，又要頻率在較大范圍可變的矛盾。但由于鎖相環本身是一個惰性環節，鎖定時間長，故頻率轉換時間長，頻率受限。更重要的弱點是，不能實現任意波形的功能。
方案4：采用直接數字頻率合成器(DDFS)。DDFS技術以Nyquist時域采樣定理為基礎，在時域中進行頻率合成，它可以快速改變頻率，并且通過更換波形數據可以實現任意波形功能。DDFS相對帶寬高，輸出相位連續，頻率、相位和幅度均可以實現程控。充分利用FPGA內部資源，在其內設置所有邏輯電路實現DDS合成，理論上可達MHz，100 kHz的頻段要求很容易實現，而且省去大部分硬件，只需D／A轉換輸出，避免硬件電路的分部影響。
為盡量減輕硬件負擔，充分利用數字資源，在滿足應用要求的基礎上，選擇方案4，在FPGA內部實現頻率合成。
1．1．2 被測網絡
方案1：直接利用阻容雙T網絡。可以通過改變電容電阻的參數改變中心頻率，但其傳遞函數形式已經固定，帶寬大概是中心頻率的4倍，Q值固定為0．25，陷波效果較差。
方案2；采用改進雙T網絡，網絡輸出經過射級跟隨器反饋回網絡，可以限制帶寬，容易實現應用要求。為此選擇方案2。
1．2 系統總體實現方框圖
系統方框圖如圖1。