一种信号幅频特性测试装置的设计

叶先万 吴松和 何仲涛 兰润琦 刘聪鑫

摘要：随着电子科学技术的不断发展，幅频特性测试技术在通信、雷达等领域有广泛的应用。文章自主设计并制作了基于快速傅立叶变换技术的幅频特性测试装置，能够对信号的频率及幅度信息进行有效分析。该装置系统兼顾软硬件协同工作，既能够提供硬件电路的可重配性，也兼具软件的灵活性，具有很好的学习价值。

关键词：DDS;可控增益;幅频特性

1 总体设计

本系统针对当前幅频测试装置对可控成本的亟需采用了基于AD9851芯片的信号发生器，在1MHz到40MHz频率范围内，生成1MHz步进的信号，使其通过AD603放大器进行A/D转换，在嵌入式异构计算ICORE平台上，结合FPGA高性能处理性能，实现并行FFT运算，再与ARM配合组成双核心系统板，对信号进行处理，顯示出信号随频率变化的规律，最后传送到示波器中，显示输出信号的幅频特性。

整体方案采用扫频法。其原理为使信号源输出的频率按特定规律自动连续并且周期性重复，利用双核心系统板将输出送到示波器上显示，从而得到幅频特性曲线。该方案不会出现频率点离散而遗漏细节的问题，并且得到的是动态频率特性，更符合实际应用。其总体框图如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 信号发生器电路分析与设计

信号发生器电路主要由两部分组成：AD9851核心电路和七阶无源滤波器电路。下面分别介绍这两部分电路。

2.1.1 AD9851核心电路分析与设计

AD9851核心电路中DDS芯片以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器和数字信号处理，通过高速D/A变换器产生所需的正弦波。在本电路中，输出电流IOUT1和IOUT2引脚并接电位器到地，使AD9851正弦波输出幅值可以满足要求，通过改变可变电阻阻值即可改变输出电压值。

2.1.2 七阶无源滤波器分析与设计

七阶无源低通滤波器能够有效抑制DDS的输出杂散，滤除杂波得到有用的信号。其设计原理如下：

①根据所需的截止频率，计算M的值：M=所需截止频率/归一化截止频率。

②由M的值算电路所需的电感和电容值：L（new）=L（old）/M，C（new）=Cold） /M。

③根据所需特征阻抗算得K值：K=待设计滤波器特征阻抗/归一化滤波器特征阻抗。

④由K值求得最终的电感和电容值：L= L（new）×K，C=C（new） /K。

根据以上步骤，以特征阻抗50Ω，截止频率77MHz，可算得所需满足的低通滤波器的元件值。

2.2 放大器电路分析与计算

AD603带内纹波较大，而两级级联时最大增益可达60dB，因此，模块中在两级AD603中间加了低通滤波器使通带内平坦。为拓宽其增益范围及带宽范围，本电路最后一级设计了放大电路，通过改变电阻值就可以改变其放大倍数，从而提高输出电压值。电路框图如图2所示。

该放大电路由射极跟随器AD603放大电路和增益控制电路组成，下面分别介绍这三部分电路。

2.2.1 电压跟随器

为满足放大器输入阻抗的要求，在放大电路前端设计一个电压跟随器，实现输入阻抗匹配。

2.2.2 AD603电路

AD603放大电路由两级程控放大及末级增益放大组成，为了使通带内输出平坦，在第一级和第二级之间加入低通滤波器。两级AD603的控制模式都选择90MHz带宽模式，按照官方芯片手册的连接方式来设计电路，两级AD603的增益控制引脚直接短接，实现增益的同步设置。末级放大器连接方式为同相输入比例放大，其增益由电阻的比值来确定。

2.2.3 增益控制电路

由于AD603的有效增益控制范围有限，故可通过调节电位器的阻值来控制所需的电压值，使VG的变化范围达到所需要求。

2.3 幅频特性测试装置

用STMF103和CycloneIV EP4CE622C8双核心系统板作为该幅频特性测试装置。将数据输入控制模块的6位输出地址作为ROM输入数据缓存，此时的输出即为FFT输入信号的实部。经过ROM控制模块得到FFT的全部输入信号，输入IP核中进行傅立叶变换。

3 程序的设计

AD9851内部含有高速、高性能的10位D/A转换器，可用作全数字编程的频率合成器，可产生稳定、纯净的正弦波，其产生正弦波的流程图如图3所示。

软件流程图如图4所示，系统首先时钟初始化，AD采样电路开始采样前端放大电路的输出信号，由于FFT运算模块和采样模块速率差别很大，因而选用一个FIFO缓冲，采样完毕的数据输入FPGA内FIFO缓存，FIFO写满后依次输出到FFT IP核运算，运算成功则将频率及幅值信息保存在ROM中，并且给ARM输出中断信号，运算失败则返回至FFT IP核的调用。ARM这边收到FPGA发出的中断信号，调用终端服务程序，从FPGA的ROM中读取频率及幅值信息。

在本设计中，控制及计算部分都由FPGA来实现。其中Nios核完成键盘控制，液晶显示、FFT算法实现、功率计算、周期性判断及失真度测量的功能;而自动增益控制、A/D转换控制以及数字滤波器则由VHDL语言实现，以减轻CPU的负担，同时两部分并行处理提高了系统的速度。

4 结语

文章自主研究并设计出一种可远程显示信号幅频特性的测试装置，在硬件上集中分析了放大电路、增益控制电路、滤波电路等电路设计;在软件上，采用FP-GA+ARM异构设计，在FPGA中输入FIR）、调用IP核、实现FFT运算对信号进行快速处理，经过FSMC总线连接ARM进行控制和幅频特性显示。整套装置设计原理较为创新，实现效果比较理想，可以很好的运用于课题学习制作中。

参考文献

[1]方华.一种远程幅频特性测试装置的设计[J].科技创新导报，2017，14（28）：1-2.

[2]许赛男.幅频特性的数学分析[J].信息化研究，2005， 31（12）：16-19.

[3]叶先万，蒋碧波，李跃伟.一种智能无线充电系统设计[J].计算机测量与控制，2018，（6）.

[4]王宏蕊，李向国，白海海，等.一种远程幅频特性测试仪的设计[J].兰州文理学院学报（自然科学版），2018，（3）.