一种改进性能的低频网络分析仪设计与实现

陈炜珩，王晓俊

（1.东南大学 信息科学与工程学院，南京 210096；2.东南大学 自动化学院，南京 210096）

频率特性是一个系统（或网络）对不同频率正弦输入激励的响应特性，电子测量中经常遇到的就是对未知系统或电路网络传输特性的测量，尤其是电路网络幅频及相频特性的测量[1]。网络分析仪是测量阻抗网络的重要工具，实际中应用广泛[2-3]。网络分析仪的主要性能指标有激励信号源的频率分辨率和测量精度。早期的网络分析仪多采用锁相环技术产生信号源，其源稳定度高，但存在频率分辨率低、频率不连续的缺点。现有网络分析仪通常采用直接数字频率合成（DDS）技术产生信号源，其频率分辨率可以做到微赫兹，但信号噪声大[4-5]。此外，由于网络分析仪中存在复杂的信号调理电路，现有许多网络分析仪由于存在内部相移[6]的附加误差，导致待测的阻抗网络相角精度偏低。因此，如何产生网络分析仪的高性能激励信号源和补偿仪器内部引起的矢量测量误差一直是该类仪器设备研究设计的重点。

本文设计了一种1 kHz～100 kHz的低频网络分析仪，采用DDS技术产生信号源，经滤波及程控放大后得到高信噪比的电压激励信号后送待测网络，再经乘法电路、低通滤波和AD转换，经单片机运算求解得到待测网络的幅值和相角。设计中，为防止DDS的直流和高频噪声的干扰，设计了二阶高通滤波和八阶契比雪夫低通滤波器；通过算法设计，有效克服了测量电路额外引入的相角滞后、零位误差、增益误差等对最终测量精度的影响；同时，设计了分时使用的乘法器电路，节约了成本。

1 设计方案

1.1 总体设计方案

本文设计的低频网络分析仪总体方案如图1所示。采用DDS技术的2路相差90°的输出信号和经各自的带通滤波后，一路UX经程控放大送至待测网络，待测网络输出信号再与原信号经乘法器调制生成直流信号和2倍频信号；另一路UY与待测网络输出信号调制同样产生直流信号和2倍频信号。上述信号都采用低通滤波得到直流信号，经AD转换得到待测网络信息。单片机采集AD转换信息后求解可得到待测网络的幅值和相角。其中，幅度检测模块是为了防止通过待测网络的电流过大导致I/V转换电路饱和，如果发生饱和则改变I/V转换电路的反馈电阻，使得分析仪能够测量多种不同网络，具有更好的自适应性和灵活性。

图1 低频网络分析仪总体方案Fig.1 Scheme of low frequency analyzer

1.2 设计原理

为了防止直流和高频噪声的干扰，设计了二阶高通滤波和八阶契比雪夫低通滤波器，得到1 kHz～100 kHz频带内纯净的UX和UY：

其中，将UX进行程控放大，假设程控放大的倍数为K，引入的相位误差为φPE：

将U1送入乘法器分别和UX、UY相乘，相乘的结果分别为 P*、Q*：

将P*、Q*分别送入低通滤波滤除二次谐波分量，得到 P、Q：

由式（8）、式（9）可得：

让电流流过I/V转换电路，I/V转换电路由反馈电阻为R的跨阻型放大器构成，将电流IK转化为电压U2为

将U2送入乘法器分别和UX、UY相乘，得R*、W*为

将R*、W*分别送入低通滤波滤除二次谐波分量，得 R、W 为

由式（16）、式（17）得：

由式（10）、式（18）得：

由式（11）、式（19）得：

根据式（20）和式（21）即可求得待测网络的相角和幅值。

2 系统实现

2.1 信号源电路设计

该系统中DDS直接数字合成芯片采用AD9854，该芯片是高集成度器件，采用先进的DDS技术，片内整合了2路高速、高性能正交D/A转换器通过数字化编程可以输出I、Q 2路合成信号。在高稳定度时钟的驱动下，AD9854将产生一高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦和余弦信号，作为本振用于通信、雷达等多个领域。AD9854的外围电路设计如图2所示。

图2 AD9854外围电路设计Fig.2 Schematic diagram of interface circuit of AD9854

2.2 程控放大电路设计

该电路采用NE5532实现放大，为了达到不同的放大倍数，采用CD4051实现反馈电阻的切换，从而达到1，2，5，10不同的放大倍数的要求。电路如图3所示。

2.3 乘法器电路设计

乘法器电路实现待测信号U2与来自信号源的sin或cos信号相乘。为减小空间并降低成本，本设计采用分时进行相乘运算的方法。采用一片AD532实现了4路的乘法运算。电路如图4所示。

图3 程控放大电路设计Fig.3 Schematic diagram of programmable controlled amplifier circuit

图4 乘法器电路设计Fig.4 Schematic diagram of multiply circuit

2.4 AD转换电路设计

本设计中因存在正负电压的情况，因此选择了AD7367双极性AD转换电路，其输入电压范围为±5 V，电路如图5所示。

图5 AD转换电路设计Fig.5 Schematic diagram of AD circuit

2.5 软件设计

单片机采用MSP430F149。MSP430系列单片机是美国德州仪器TI开发的一种16位超低功耗、具有精简指令集RISC的混合信号处理器，具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等特点，且具有方便高效的开发环境。软件总体流程如图6所示。

图6 软件总体流程Fig.6 Flow chart of software

3 测试结果

为验证上述方案的可行性及精度等性能，对一个LCR阻抗网络进行测量，其中待测网络为2 mH电感、0.1 μF电容和24 Ω电阻的串联。经测试，待测阻抗网络的幅频和相频特性曲线分别如图7和图8所示。

图7 幅频特性Fig.7 Amplitude frequency character

图8 相频特性Fig.8 Phase frequency character

采用美国Agilent公司 E4980A精密LCR仪表，对上述同样的阻抗网络进行测试，并选择若干频点进行对比。其中，幅频特性测试结果对比如表1所示，相频特性测试结果对比如表2所示。

表1 幅频特性测试结果对比Tab.1 Comparison of amplitude character

表2 相频特性测试结果对比Tab.2 Comparison of phase character

由表1和表2可见，采用本设计方案的阻抗分析仪与E4980A具有较好的吻合度。另外，对多组其它的LCR网络进行了同样的测试对比，均显示具有较好的精度。

4 结语

本文设计了一种1 kHz～100 kHz的低频网络分析仪，采用直接数字合成器AD9854产生信号源，经滤波后一路经程控放大得到合适幅度的电压信号后送待测网络，再通过乘法电路、低通滤波和AD转换，经单片机运算求解得到待测网络的幅值和相角。通过算法设计，有效克服了程控放大电路额外引入的相角滞后对最终测量精度的影响；同时，设计了分时使用的乘法器电路，节约了成本。实际测试表明，该阻抗分析仪具有较好的精度。

[1]郑君里.信号与系统引论[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]张懿.用网络分析仪测量电缆的方法[J].中国测试技术，2008，34（6）：135-137.

[3]吕潇蒲，王浩文，王雷，等.基于网络分析仪的UWB频域测试[J].电子测量技术，2012，35（5）：132-135.

[4]刘丽萍，朱天桥，杨格亮.基于MSP430F149的阻抗测量系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2008（12）：34-36.

[5]杨平清.低频矢量网络分析仪的设计[D].南京：东南大学，2005.

[6]堵国梁，吴建辉，樊兆雯.模拟电子电路基础[M].北京：机械工业出版社，2014.