一种简易数字控制频率特性测试仪的设计

陈　松，荣　军(湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳414006)



一种简易数字控制频率特性测试仪的设计

陈松*，荣军
(湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳414006)

摘要:设计了一个以STM32F407为控制核心的简易频率特性测试仪系统，可以实现了在1 MHz～40 MHz频率范围内，对双端口网络的幅频和相频特性进行测量。利用模拟乘法器AD835和二阶有源低通滤波器设计出正交解调电路，然后由高精度ADC芯片ADS1271完成模数转换，最后由显示模块显示被测网络的幅频和相频特性。通过测试，本系统能正确的绘制被测网络的幅频特性曲线，显示其中心频率和3 dB带宽，并且其电压增益精度优于0.5 dB，相位精度优于5°。

关键词:频率特性测试;数字控制;零中频正交解调;品质因数

频率特性测试仪简称扫频仪，用于测量二端口线性非时变网络的频率特性，也可以测量其中心频率、带宽、带外衰减、增益等参数，是线性系统频域测量的重要仪器之一。传统的模拟式扫频仪体积庞大且不能直接得到相频特性，更不能保存和打印频率特性图，同时目前市场的数字频率特性测试仪一般价格昂贵，几千上万的价格对于低端应用场合的用户是很难接受的，并且硬件设计较为复杂，功耗大，很多专业功能并不常用［1－2］。为此，本文设计了一套简易便携式数字频率特性测试仪。该系统以STM32为控制核心，采用数字直接频率合成技术专用集成芯片AD9854产生正交扫频信号，实现扫频信号频率步进可调、被测网络幅频和相频特性曲线的绘制、以及中心频率和带宽等参数的测量。此外，系统具有良好的人机接口，其扫频初始频率及步进值能通过矩阵键盘进行设置，灵活性较好，同时数据和曲线的显示采用了TFT彩色液晶屏，读数方便，清晰美观。是一款性价比高，且实用性比较强的产品。

1　频率特性测试仪的系统方案

本系统以STM32F407作为控制核心，结合DDS芯片AD9854产生正交扫频信号;根据零中频正交解调原理，采用乘法器AD835进行信号相乘，LPF采用两阶有源低通滤波，ADC转换采用ADS1271，最后信号送入STM32F40进行幅频特性和相频特性的数据分析与显示。系统总体框图如图1所示。为了便于以下的分析，其中图1中标示的数字符号①②③④⑤⑥分别表示:①正交信号源的I路输出端;②正交信号源的Q路输出端;③被测网络的输出端;④I路模拟相乘测试点;⑤Q路模拟相乘测试点; I路滤波输出;⑥Q路滤波输出端。

图1　频率特性测试仪系统框图

1.1零中频正交解调的基本理论

传统的调制解调方式是无线电信号RF(射频)进入天线，转换为IF(中频)，再转换为基带(I、Q信号)。而零中频就是信号直接由RF变到基带，不经过中频的调制解调方法［3］。而正交解调正是实现零中频的一种关键技术。正交解调模型如图2所示。

图2　正交解调结构框图

输入信号S(t)被分成两路信号分别进行处理。其中本振信号也分成两路，对其中一路进行90°相移，得到与另一路正交的信号。这两路本振信号分别与S(t)的两路信号进行运算，得到两路正交的信号，即I路和Q路信号，紧接着分别对两路正交信号进行低通滤波，然后对这两路正交信号进行A/D转换，得到数字域的I/Q信号，再根据具体的调制信息进行相应的解调，得到所需的基带信号。不但能得到信号的复包络，而且方便地获得了信号的幅度和相位信息［4］。

1.2测量公式的推导

如图1所示，设扫频信号源(AD9854)输出端①和②的正交信号分别为:

式中:ui1经被测网络后输出信号③可表示

式中:A'代表被测网络对信号的幅度影响，φ代表被测网络对信号的相位影响。

①和③两路信号送入上支路乘法器(AD835)进行相乘，而输出信号④为

②和③两路信号送入下支路乘法器(AD835)进行相乘，而输出信号⑤为

输出信号④经上支路低通滤波器(LPF)滤波后，其中高频成分被滤除，仅输出低频分量，故⑥点信号可表示为

同理，下支路LPF输出⑦点信号可表示为

由式(6)和式(7)可见，经过零中频正交解调，就可得到I和Q两路信号。由上可见，uI与uQ中均包含了被测网络对信号的附加幅度衰减A'和附加相移φ信息。将⑥点信号与⑦点信号分别平方后相加，即可求出A'为

所以被测网络增益为

式(9)和式(10)分别表示了点频工作时的幅度及相位，以扫频方式改变扫频源频率，即可得到被测网络的幅频特性和相频特性曲线。由此即可编制算法程序，由主控完成幅频特性和相频特性的计算与显示。

被测网络相移为

2　频率特性测试仪硬件电路设计

2.1电源和时钟电路设计

系统供电和系统时钟对整个电路能否正常稳定的工作起着关键性作用，因此应优先分析系统功耗，选择合理的供电方案;在PCB布局中也应优先考虑两者的位置，减少电源噪声，抑制时钟信号的高频干扰。由于AD9854采用3.3 V单电源供电，其电源引脚分为模拟电源AVDD和数字电源DVDD两种类型，整个芯片的最大功耗4.06 W。因此系统采用两片输出电流最大为1 A的线性电源NCV1117进行电平转换，把5 V转换为3.3 V，分别为AD9854芯片的模拟部分和数字部分提供电源［5］，如图3所示。

2.2滤波及放大电路设计

本系统要求扫频信号频率范围为1 MHz～40 MHz，为保证输出信号的幅度平坦度，折衷选取平坦滤波器—巴特沃斯滤波器，其滤波器的参数设置为100 MHz七阶低通滤波器。同样的为保证输出信号的平坦度，系统采用了一款具有高达6 500 V/μs的转换速率、420 MHz的－3 dB带宽和良好的带内平坦度、在110 MHz时增益仅下降0.1 dB的高速电流反馈放大器THS3001，同时进行阻抗匹配，设计其输出阻抗为50 Ω［6］。滤波与放大电路图如图4所示。

图3　AD9854供电电路图

图4　滤波与放大电路图

2.3零中频正交解调电路设计

根据图2所示的正交解调结构框图知，零中频正交解调电路主要由模拟乘法器和低通滤波器构成。由上面的理论分析知，系统需要测量相乘并滤波后的随频率变化的直流分量，而这个直流分量是mV级的，因此要求模拟乘法器具有极低的相乘噪声，以及在系统要求的带宽内具有良好的线性度，同样的也要求低通滤波器具有极低的滤波噪声。本设计采用AD835作为正交解调的模拟乘法器，以NE5532构成低通滤波器，可以满足上述性能要求。下面分别阐述其硬件电路设计。首先是模拟乘法模拟电路的设计，AD835是一款电压输出型四象限模拟乘法器，带宽高达250MHz，很适合宽带正交解调应用。由于片内电路的优化和带隙电压基准的使用，AD835的输出噪声典型值仅为，保证了相乘信号尽可能小的失真。另外，AD835需要的外围电路非常少，配置相当方便，其基本连接电路如图5所示［7］。

系统扫频信号频率范围为1 MHz～40 MHz，根据式(4)和式(5)可知，乘法器之后的低通滤波器需将的信号滤掉，同时无失真地保留随扫频信号频率变化的低频信号，此处可以设计一个截止频率为1 kHz的二阶有源低通滤波器，在实际电路设计过程中，采用高性能低噪声双运算放大器NE5532搭建截止频率为1 kHz的二阶有源低通滤波器。电路原理图如图6所示［8］。

图5　AD835构成的模拟乘法器电路图

图6　NE5532构成的二阶低通滤波器电路图

2.4高精度ADC电路设计

根据前面的理论分析，滤波后直流信号变化范围在几十μV到几百mV之间变化，同时要达到电压

2.5标准被测网络的电路设计

由于系统需要进行误差分析和误差矫正，因此需要设计各种不同标准被测网络以方便后期调试和测试。这里以RLC串联谐振回路为例简述其设计过程。这里设计标准被测网络是中心频率为20 MHz的RLC串联谐振回路，串联谐振回路主要参数可表示为:

谐振频率:

品质因数:增益0.1 dB，相移0.1°测量分辨率，则需要前端的电压测量达到μV级分辨率。这就要求ADC极高的测量精度和信噪比，为此本系统采用了ADS1271，它是24位Delta-Sigma型工业级ADC［8］，ADS1271内部具有一个Delta-Sigma调制器，后面连接一个可编程数字滤波器。调制器使用差分参考电压VREF=(VREFPVREFN)来测量差分输入VIN=(AINP－AINN)。数字滤波器收到调制器传来的信号并进行低噪声的数字输出。其硬件设计重点在参考电压、系统时钟和单端输入的信号接口电路的设计上。本设计参考电压由精密微功耗并联电压基准芯片LM4040－N和NE5532低噪声运放构成，为ADS1271提供2.5 V的参考电压;时钟由24 MHz有源晶振提供;接口电路则参考数据手册典型电路设计，由全差动I/O音频放大器OPA1632构成［9］。其主电路原理图如图7所示。

通频带:

依照设计要求，此处设计的RLC串联谐振回路元件参数为:R取108.2 Ω，L取3.39 μH，C取18 pF。另外，被测网络的接入必须满足阻抗匹配要求。输入阻抗匹配是通过一个50 Ω电阻串联RLC到地，RLC直接接入AD835，由于AD835的输入阻抗为100 kΩ，故可近似的认为输入阻抗为50 Ω。50 Ω输出阻抗通过在THS3001之后串联一个50 Ω电阻来实现。电路如图8所示。

图7　ADS1271高精度采样电路图

图8　RLC串联被测网络与匹配电路图

3　频率特性测试仪软件程序设计

本设计软件部分主要完成以下工作:①控制正交信号源输出点频正交信号和扫频正交信号;②根据ADC转换后的I、Q数字信号，计算待测网络的电压增益和相位;③在规定的时间内绘制、显示幅频特性和相频特性曲线。其总体软件流程图如图9所示。

图9　总体软件流程图

3.1 ADS1271的控制程序设计

ADS1271的通信接口只支持SPI以及帧同步传输，不支持并口。因此本系统将STM32主控的一个硬件SPI配置成主设备模式与其通信，当ADS1271数据采用完成时DRDY将变为低电平，触发STM32产生中断，进入中断后STM32启动数据读取操作，当数据读取完后DRDY又恢复到高电平，如此反复进行。当STM32中断服务程序读取一定数量的采样值后，就会产生一次采样完成信号量，通知主程序可以进行数据的数字滤波、电压增益和相移的求取以及电压增益和相移显示或幅频特性曲线的描绘工作了，采集流程图如图10［10］所示。

图10　数据采集流程图

3.2图形显示界面设计

图形显示界面根据功能设计了4个工作界面分别是:正交信号源键控输出界面、扫频输出设置界面、点频测量界面和幅频特性曲线绘制界面。界面与界面之间由功能选择键进行灵活切换。其中正交信号源键控输出界面比较简单，主要显示当前信号源的输出频率，频率值可由键盘进行设置，设置方式有两种:步进方式分为10 kHz、100 kHz和1 MHz 3个档位，这是一种便捷快速的设置方式;数字键直接输入方式，这种方式可精确的设置输出频率。两种方式各有优势，结合在一起便可使用户更加灵活快速进行参数的设置。其界面如图11所示。

扫频输出设置界面，主要设置扫频输出的起始、终止和步进频率，如图12所示。

点频测量界面，主要功能是测量单频点的测量电压增益和相移，如图13所示。

幅频特性曲线绘制界面，则显示了被测网络的幅频特性曲线和相频特性曲线，并在坐标的上面显示了中心频率和－3dB带宽，由于采用250×200的像素同时显示幅度和相位曲线，不足以完整显示曲线，因此系统增加了对曲线进行线性压缩和放大的功能，以完整光滑的显示曲线。如图14所示。

图11　正交信号源键控输出界面

图12　扫频输出设置界面

图13　点频测量界面

图14　幅频特性曲线绘制界面

4　实验结果及分析

4.1技术指标

正交扫频信号源技术指标:频率范围为1 MHz～40 MHz，频率稳定度≤10－4;频率可设置，最小设置单位100 kHz;正交信号相位差误差的绝对值≤5°，幅度平衡误差的绝对值≤5%。信号电压的峰峰值≥1V，幅度平坦度≤5%;可扫频输出，扫频范围及频率步进值可设置，最小步进100 kHz。点频测量技术指标:幅频测量误差的绝对值≤0.5 dB，相频测量误差的绝对值≤5°;数据显示的分辨率:电压增益0.1 dB，相移0.1°。扫频测量技术指标:显示幅频特性曲线和相频特性曲线，要求具有电压增益、相移和频率坐标刻度;显示其中心频率和－3 dB带宽，频率数据显示的分辨率为100 kHz。测试系统采用的测试仪器为:FLUKE 17B数字万用表、RIGOL DS6064数字存储示波器和AV3296A一体化矢量网络分析仪。制作的简易数字控制频率特性测试仪实物图如图15所示。

图15　频率特性测试仪系统实物图

4.2测量结果及分析

正交扫频信号源输出若干点频信号，用示波器测量比较各观测点频率正交信号的相位误差绝对值，同时比较正交信号的幅度平衡误差。测量结果如表1所示，各观测频率点的相位误差绝对值≤5°，幅度平衡误差≤5%，达到了设计要求。

表1　正交信号相位误差和幅度平衡误差测量

正交扫频信号源输出若干点频信号，用示波器测量各观测点频率信号的电压幅度峰峰值，并根据测试数据计算得到输出信号幅度平坦度。测量结果如表2所示，各观测频率点的电压幅度峰峰值≥1 V，输出信号幅度平坦度幅度≤5%，达到了设计要求。

表2　正交信号电压的峰峰值和幅度平坦度测量

设定正交扫频信号源不同的扫频输出范围，按照100 kHz步进频率进行扫频输出，用示波器测量各次扫频输出的10次扫频时间再求平均值。测量结果如表3所示，信号源可设置不同的扫频范围以及频率步进值，最小频率步进达到100 kHz，一次扫频时间均≤2 s，达到了设计要求。

采用本频率特性测试仪测量待测网络的幅频特性和相频特性，然后将结果与矢量网络分析仪(AV3296A)的测量结果进行比较分析。测量结果如表4和表5所示，各观测频点幅频测量误差的绝对值均小于0.5 dB，相频测量误差的绝对值均≤5°，达到了设计要求。

表3　扫频范围和扫频时间测量

表4　幅频测量

表5　相频测量

分别采用矢量网络分析仪(AV3296A)和本频率特性测试仪对自制的标准被测RLC串联谐振网络进行线性扫频测试，然后比对测试结果。测量结果如表6所示，该谐振回路中心频率为19.617 MHz，误差的绝对值≤5%，有载品质因数为3.848，误差的绝对值≤5%，有载最大电压增益≥－1 dB，频率特性测试仪各项指标均达到预期的设计要求。

表6　被测网络参数测量比较

5　结论

本文设计了一个简易频率特性测试仪，系统的设计过程为:系统的方案论证、核心器件的选型、模块化的硬件设计、系统的软件设计和系统的综合调试。从对本系统的各类指标测试可知，其正交扫频信号源各项性能达到或超过了设计要求，频率特性测试仪各项功能和测试精度均满足设计要求，可显示被测网络的中心频率和－3 dB带宽，可扫频测量和显示被测网络的幅频特性曲线及相频特性曲线。并且根据按键的不同选择实现相应功能，如点频测量、扫频测量等，并且能够对特性曲线进行灵活的放大和缩小，人机交互友好，界面显示美观。本设计大部分采用了现代的集成电路构成系统的主要组成部分，巧妙设计了高频信号变换到低频信号的变换电路，省掉去较为复杂的高频幅度检测和相位检测电路，在同时兼顾性能和指标的基础之上，研制出了成本低、功耗低和体积小的简易全数字式频率特性分析仪，十分具有应用价值。

参考文献:

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［10］Data Sheet of ADS1271［EB/OL］.http://www.ti.com/.

陈　松(1973－)，男，汉族，湖南平江人，硕士，讲师，湖南理工学院信息与通信工程学院，主要从事学生课外科技活动和组织工作，296063370@qq.com。

Regenerative Braking System of Electric Vehicle Based on Fuzzy Control*

ZHANG Keling，QIAN Xiangzhong*
(Wenzhou University Physics and Electronic Information，Wenzhou Zhejiang 325035 China)

Abstract:To improve energy usage efficiency and prolong the driving distance of electric vehicles(EVs)under the condition of ensuring braking quality，a creative regenerative braking system(RBS)is presented.The RBS is adapted to brushless DC(BLDC)motor，and it emphasizes on the distribution of the braking force，as well as BLDC motor control.BLDC motor control utilizes the traditional PID control and the distribution of braking force adopts fuzzy logic control.Because the fuzzy reasoning is slower than PID control，the braking torque can be real-time controled by PID control.The simulation results are showed by analyzing battery state of charge(SOC)，braking force and DC bus current under the environment of MATLAB and SIMULINK.The simulation results verified that the proposed method is realizable for practical implementation.

Key words:electric vehicles; regenerative braking system; fuzzy control; PID control; brushless DC motor

doi:EEACC:852010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.032

收稿日期:2014－09－28修改日期:2014－10－20

中图分类号:TN741

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0868－08