基于51單片機和FPGA的頻率特性測試儀的設計

1 引言
頻率特性是網絡的性能最直觀反映。頻率特性測試儀是測量網絡的幅頻特性和相頻特性，并顯示相應曲線的一種快速、方便、動態、直觀的測量儀器，可廣泛應用于電子工程領域。
該測試儀以掃頻外差為基本原理，并以單片機和FPGA構成的最小系統為控制核心，很好地完成對有源雙T網絡進行頻率在100 Hz～100 kHz范圍內的幅頻響應和相頻響應特性的測試，并實現在通用數字示波器上同時顯示幅頻和相頻響應特性曲線。

2 系統設計方案
2．1 總體方案
該設計采用單片機和FPGA結合的方式。將輸出頻率可步進的正弦信號的掃描信號源作為被測網絡的輸入信號Vi，則被測網絡的輸出信號Vo為頻率可步進的信號。通過測量各頻率點的幅度就可得到Vo和Vi的有效值，兩者之比就是該點的幅度頻率響應；對Vo和Vi進行過零比較、整形，再送到FPGA測量相位差。 Vi的上升沿啟動計數，Vo的上升沿停止計數，所得時間值與信號周期之比，就是該點的相位頻率響應。此方案采用FPGA測量相位差，而且便于制作DDS掃描信號源。
2．2 掃頻信號源設計方案
該設計采用直接數字合成(DDS)信號源。DDS信號源是由數字量控制的頻率源，如圖 1所示，其具體實現過程是：將輸出波形一個完整周期的幅度值按相位步進順序量化存儲于雙端口RAM中，按一定的地址間隔讀出，經D／A轉換成模擬信號，再經低通濾波器濾去D／A轉換帶來的小臺階和數字電路產生的毛刺，即可獲得高精度、高純度的正弦信號。理論上只要累加器的位數足夠多，便可實現任意小的頻率步進，且頻率分辨率很高，十分接近于連續變化。通過預設相位累加器初值可很方便地實現精密相位調節。

2．3 幅度測量模塊的方案
該模塊采用集成真有效值變換器件。測量被測信號的真有效值，然后將其換算為幅值。即可實現對正弦波的幅值測量。該方案硬件、軟件都很簡單，而且精度高，效果理想。