简易频率特性测试仪的设计与实现

张雅希 任超

摘   要：文章以零中频正交解调为原理，设计实现了一个简易频率特性测试仪原型。测试仪主要由正交扫频信号源、零中频解调网络、模拟数字转换器、外部按键及液晶显示模块构成，无线链路控制串联谐振电路用作被测网络。正交信号源由DDS专用芯片以及单片机实现，零中频解调网络通过模拟乘法器、低通滤波器等构成的硬件电路实现。经测试，本設计能在1～40 MHz范围内准确完成对被测网络频率特性和相频特性的测试及显示。

关键词：频率特性测试;零中频正交解调;模拟乘法器

频率特性测试仪是专门用于测量电路网络频率特性的仪器，在电子产品的设计、生产、调试以及高等院校的电子技术实验、实训教学中都占有重要地位[1]。频率特性测试仪中扫频信号源的设计是决定整体系统性能的关键，而直接数字频率合成技术（Digital Frequency Synthesis Technology，DDS）因具有频率分辨高、频率转换速度快、频率转换时相位变化连续等优点[2]，在信号发生器的设计中广泛应用。基于此，结合C8051F020单片机自带模数转换（Analog to Digital Converter，ADC）功能，本文设计并实现了一款简易频率特性测试仪，能在中低频1～40 MHz范围内准确地显示出被测网络的频率特性和相频特性曲线[3]。

1    系统设计

1.1  总体设计方案

本简易频率特性测试仪的设计目标为：可在1～40 MHz频率范围内扫频输出（最小步进100 kHz）、幅频特性、相频特性曲线通过液晶屏幕显示，同时支持点频测量。总体设计方案如图1所示：C8051F020单片机配合AD9854 DDS专用集成芯片，产生正交扫频信号;正交信号经由乘法器、低通滤波器（LPF）构成的零中频解调网络，输出同相分量I和正交分量Q的直流信号;C8051F020本身配置有8位及12位ADC，模拟直流信号经ADC模数转换后送入单片机进行数据的运算处理，求得相应的幅度和相位数据，在液晶屏上输出显示频率特性曲线。

1.2  系统原理分析

假设正交扫频信号源产生的信号为Acos（ωt），其通过被测网络后输出的信号为Bcos（ωt+φ）。则同相分量支路：

（1）

低通滤波后（假设滤波器对幅度的影响为C）：

（2）

类似的，可计算得到正交分量支路：

（3）

低通滤波后（假设滤波器对幅度的影响为C）：

（4）

由（2）式和（4）式，可得相位：（5）

幅度：（6）

1.3  硬件设计

正交扫频信号源由C8051F020单片机、AD9854专用集成芯片及其所需外围电路实现，其可通过编程的方法对波形的频率、相位和幅度进行修改。零中频解调网络主要由模拟乘法器、低通滤波器等构成。设计选用的AD835是一款完整的四象限电压输出模拟乘法器。经乘法器以及低通滤波电路输出的信号为直流信号，其大小在-1～+1 V，而单片机只能对正电压的直流信号进行处理，因此需给乘法器的求和输入端Z加上一个大于1 V的直流偏置，直流偏置电压可通过可控稳压源配合电阻分压的方式获得，具体的乘法器电路如图2所示。

1.4  软件设计

软件代码基于C语言设计实现，参考时钟选用C8051F020内部25 MHz晶振。主程序流程如图3所示：上电后进行系统初始化，具体包括对AD9854，ADC、按键、液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）显示等进行的初始化工作;考虑到存在系统误差，在初始化工作完成后、数据采样处理前，进行相位自动校准（将被测网络短接，进行一次扫频，存储对应数据便于后续处理）;通过键盘扫描模块检测是否有按键按下，根据按键的不同分情况进行处理;通过AD采样、根据零中频采样原理对数据进行处理，最终将特性曲线在LCD屏上显示。

2    系统测试与数据分析

对设计实现的简易频率特性测试仪原型进行系统测试，测试内容主要有正交信号源输出信号的平坦度及频率稳定度、接入被测网络后输出的幅频、相频特性曲线、能否进行点频测量输出幅度和相位信息。测试使用到的仪器有：程控电源、万用表、数字示波器、矢量网络分析仪、多功能计数器等。

根据测得的试验数据进行分析处理得：信号源同相信号幅度平坦度为2.373%，正交信号幅度平坦度为3.267%，信号频率稳定度均小于10-4，可进行点频测量，显示的幅频特性、相频特性曲线清晰，各项指标均在误差允许范围内。

3    结语

本文基于零中频正交解调原理进行了简易频率特性测试仪的设计，实现了在1～40 MHz频率范围的扫频输出及点频测量，被测网络的幅频、相频特性曲线可清晰显示于液晶屏上。本设计的相关硬件电路模块和软件程序可用于高等院校电类课程的实践教学，同时对行业小型简易频率特性测试仪器的设计具有一定的参考价值。

[参考文献]

[1]李裕.基于零中频正交解调频率特性测试仪的设计与实现[D].武汉：华中师范大学，2015.

[2]李海松，张奇荣，权海洋.DDS的相位截断及相应的杂散信号分析[J].微电子学与计算机，2006（2）：141-143.

[3]孙锐，朱军，丁大为.基于DDS模块的简易数字频率特性测试仪的设计[J].智能计算机与应用，2016（3）：117-118.

Design and implementation of simple frequency characteristic analyzer

Zhang Yaxi， Ren Chao

（School of Information Engineering， Jiangxi Vocational College of Industry and  Engineering， Pingxiang 337000， China）

Abstract：In this paper， a prototype of a simple frequency characteristic analyzer is designed based on the principle of zero-IF quadrature demodulation. The analyzer is mainly composed of an orthogonal frequency sweep signal generator， a zero-IF demodulation network， an analog to digital converter， some external buttons and a liquid crystal display module. Radio link control series resonant circuit is used as the network under test. Through the test， the design can accurately test arcl display the frequency and phase response curve of the measured network in the range of 1～40 MHz.

Key words：frequency characteristic test; zero-if quadrature demodulation; analog multiplier