基于FPGA的频率特性测试仪的设计

李鹏

摘要：该频率特性测试仪主要包括系统控制部分，双路同步DAC部分，被测网络部分，信号采集处理部分，显示部分和电源部分。全系统以FPGA为主体，正交扫频信号源采用双通道高速DA模块实现，可产生两路正交输出的信号，扫频范围及扫频步进值可设置。被测网络由一个RLC串联谐振电路构成。频率特性测试及显示部分使用正交解调原理，将经过被测网络的信号与两路正交信号相乘，经低通滤波后，由单片机ADC采集数据，经单片机处理后在示波器屏上画出幅频特性曲线和相频特性曲线。通过调试和完善完成了题目要求的基本部分和发挥部分，并有自己创新的部分。

关键词： FPGA；DDS正交信号发生器；幅频特性，相频特性

中图分类号：TM935 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）04-0218-03

Design of Frequency Characteristic Testing Instrument Based on FPGA

LI Peng

（Xizang Minzu University， Xianyang 712082， China）

Abstract：The frequency characteristic testing instrument mainly comprises a system control part， a double channel synchronous DAC part， a test network part， a signal collecting and processing part， a display part and a power supply part. The system takes the FPGA as the main body， and the orthogonal frequency sweep signal source is realized by using the dual channel high speed DA module， which can produce the signals of two channels quadrature output， the sweep frequency range and the sweep frequency step value can be set up. The network is composed of a RLC series resonant circuit. Frequency characteristic test and display part using quadrature demodulation principle， will be through the detected network signal and two orthogonal signals are multiplied， after low-pass filtering， by MCU ADC data acquisition， SCM processing on the oscilloscope screen draw the amplitude frequency curve and phase frequency curve. Through the debugging and improvement of the basic part of the requirements of the completion of the requirements and play a part， and have their own innovation.

Key words： FPGA； DDS orthogonal signal generator； amplitude frequency characteristic； phase frequency characteristic

1 方案论证

1.1 正交扫频信号源的设计

方案一VCO+0°/90°移相器

笔者采用传统的压控振荡器和0°/90°移相器生成正交扫频信号源。

方案二：采用高性能的DDS芯片来制作

AD9854系列芯片产品具有较高的性价比，AD9854数字合成器是高集成度的器件，它采用先进的DDS技术，片内整合了两路高速、高性能正交D/A转换器通过数字化编程可以输出I、Q两路合成信号。AD9854的DDS具有48位的频率分辨率（在300M系统时钟下，频率分辨率可达1uHZ）。输出17位相位截断保证了良好的无杂散动态范围指标。AD9854允许输出的信号频率高达150MHZ，而数字调制输出频率可达100MHZ。通过内部高速比较器正弦波转换为方波输出，可用作方便的时钟信号发生器。

方案三：利用FPGA配合高速DAC芯片来制作正交扫频信号源

利用Altera公司的FPGA芯片来制作正交扫频信号、与MSP430进行通信来对扫频信号的控制及显示电路，不仅减小了电路尺寸，而且还增强了抗干扰性，使可靠性得到了进一步的提高。该扫频信号源克服了传统扫频信号源电路复杂、具有扫频和点频两种频率输出方式及测频、扫速控制等功能。

处于综合考虑，即以便本次的设计，选择方案三。

1.2 总体设计方案

1）设计任务

根据零中频正交解调原理，设计并制作一个双端口网络频率特性测试仪，包括幅频特性和相频特性其示意图如图1所示。

2）系统设计框图

3）系统硬件的主要组成

核心部分采用FPGA核心板，经过AD9764转换成模拟信号，再经过40M无源6阶椭圆低通滤波器做成自制DDS正交信号发生器，外围电路板是双路AD835乘法电路和双路2阶有源滤波器电路滤波成直流交付于MCU，MCU采集并计算后，在示波器屏幕显示输出。

2 理论分析与电路设计

2.1 DDS正交信号发生器

1）DDS的基本原理：

相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲fs，加法器将频率控制字k与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字k相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。

笔者要在1M-40MHz之间检测频率特性，所以要经过40MHz低通滤波器，会有一定的衰减，所以笔者在FPGA部分做数字补偿，使得幅频均衡。

2）幅频均衡的原理如下：

1M-40MHz的频率范围，步进为100KHZ，所以笔者将得到1M-40MHz之间的n个点的幅值A，记为A=[[a1]，[a2]，[a3]…，[an-1]，[an]]，由于双路滤波效果不同，交换DA与滤波通道，得到幅值B，记为B=[[b1]，[b2]，[b3]…，[bn-1]，[bn]]，最终得到A+B[[a1+b1]，[a2+b2]，[a3+b3]，…， [an-2+bn-2][an-1+bn-1]， ，[an+bn]]，求的[MIN（A+B）]，则通过计算笔者将幅值均衡到[MIN（A+B）]=[（A+B）MIN（A+B）A+B]，达到幅值均衡的目的。

2.2 DAC数模转换电路

DA 转换芯片采用14位100Mps的ADC9764AR转换芯片，设计电路如下：

2.3 乘法电路设计原理

乘法器电路如图所示：

自制DDS信号发生器产生[Acos（wt）]和[Asin（wt）]两路信号源，假设被测电路的增益为G，相位为[?]，则被测电路的信号为[AGcos（wt+?）]，经过乘法器之后得到

其中[CF1]的直流分量为[A2Gcos?2]，[CF2]的直流分量为[A2Gsin?2]

设直流分量[A2Gcos?2]=M，[A2Gsin?2]=N

M，N分别为数字部分采集数据，则解得G=[4M2+4N2A4]

[?=arccos（MM2+N2）]

对不同频率下的G，[?]的值进行采样得到的即为简易频率特性曲线的不同幅值下的幅频特性图和相频特性图。

最终交流分量为1M-40M，加入两阶100KHZ低通滤波器滤掉其中的交流分量，得到的直流分量值为[A2G2]。然后进入AD转换进行数字部分处理。乘法器及滤波器电路原理图如图5。

2.4 显示部分设计

本设计根据需要采用示波器屏幕来显示波形，通常采用示波器的X-Y模式，通称李沙育图形。将两个信号分别输入到示波器的CH1和CH2，以CHI信号电压为X-Y坐标轴的X正半轴数值，以CH2为Y正半轴数值，得到的（X，Y）坐标值为显示出来的点。当信号连续输入时，点也连续，成为线和椭圆（圆），也就将幅频特性及相频特性绘制出来了。

3 系统的软件设计

DDS主程序流程图：

4 系统调试测试过程

4.1 调试仪器和设备

RIGOL DG4062信号发生器

RIGOL DS1152-EDU 150MHZ 1GSa/s数字示波器

XPD1252-C 宽带双通道扫频仪

液晶显示屏

4.2 测试过程

1） 系统调试（在没有幅频均衡之前，幅值图测试如下）：

4.3 测试结果分析

1）测试数据分析

根据测量结果分析，本设计的数据在频率误差方面能够满足设计要求

2）误差分析

由于元件误差和焊接技术差别，会出现一些误差。

5 总结

在整个设计制作的过程中，笔者始终关注系统的性能指标和最终运行结果的误差，本着稳定性和精确性并重的原则，笔者采取了诸多有效措施，对一些参数误差较大的笔者进行了多次调试和修改，最终完成了此次设计。同时也做了许多扩展功能，结合MSP430单片机与FPGA相互通信，使得通过按键来控制正交信号的频率和扫频点频方式，并能通过MSP430控制LCD12864显示信号的频率等信息。

参考文献：

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[2] 高吉祥，唐朝京.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程：电子仪器仪表设计[M].北京： 电子工业出版社，2007：203-210.

[3] 吴厚航.深入浅出玩转FPGA[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010：87-96.