一种基于零中频正交解调的频率特性测试仪

朱创，靳东贤，张志坚，叶李新

（东莞理工学院，广东东莞，523000）

0 引言

频率特性测试仪也称扫频仪，能够输出指定范围的扫频信号，根据测量经过二端口网络的扫频信号变化[1-2]，进而得出二端口网络的幅频特性，相频特性等参数[3]。频率特性测试仪通常用于测量衰减网络，放大电路，滤波电路，谐振网络，甚至电子器件等等，对于电路设计，电路维护和高校的实验教学等领域中具有重要的作用[4]。

目前国内的中低端的频率特性测试仪仍存在很多缺陷，而国外的频率特性测试仪虽然性能优越，功能全面，但往往价格昂贵，不适合国内的推广，所以国内的中低端的频率特性测试仪仍有很大的需求[5]。现今我们国内的频率特性测试仪的幅频特性曲线的测量主要采用峰值检测或有效值检测，相频特性曲线的测量主要采用相位差法，这些电路的设计往往集成度低，结构复杂，稳定性差，造成维修困难，测量精度也不高，阻碍了频率特性测试仪的推广使用[6-7]。近几年来，业界提出了基于零中频正交解调的频率特性测试仪，成为中低频的频率特性测量的热门技术[8]。利用零中频正交解调原理，将高频信号下变频到直流信号，避免了高频信号的处理，降低了对电子元器件的性能要求[9]。为中低端的频率特性测试仪在国内市场能更好地推广，本文基于零中频正交解调电路设计了一款高精度，高性价比，具有友好人机交互界面的频率特性测试仪，对中低端频率特性测试仪的设计提供了参考意义。

1 系统设计

1.1 系统总体方案

频率特性测试仪的设计方案如图1所示。整个系统由STM32F407作为主控，信号源选择ADI公司的一款DDS芯片AD9959，经过放大器OPA695进行缓冲放大后，为零中频正交解调电路提供两路正交信号I(t)和Q(t)和被测网络的激励信号T(t)。激励信号经过待测网络之后，为保证测试网络的输出信号满足零中频正交解调电路的解调条件，还需经过信号调理电路将其适当放大或衰减，再送入零中频正交解调电路进行解调，最后用STM32F407片内的12位ADC采集解调信号并计算测量结果。由于STM32F407片内的ADC采集范围为0～3.3V，而零中频正交解调的输出信号可能出现负电压，所以采用精密直流放大器AD8237将解调得到的电压抬至ADC采集的范围，最后STM32F07将采集得到的信号计算出网络的幅频特性和相频特性显示在TFT-LCD上。

图1 频率特性测试仪系统设计框图

1.2 零中频正交解调在频率特性测量上的应用原理

零中频正交解调在频率特性测量的应用如图2所示。信号源输出两路正交信号I(t)=Acosθ和Q(t)=Asinθ，并把其中的I(t)作为测试信号。当测试信号经过测试网络之后幅度和相位发生了变化，原本的测试信号变成了式(1)。

图2 基于零中频正交解调的频率特性测试

将经过测试网络的信号与正交信号相乘得到式(2)和式(3)。

再将乘法器输出的信号经过低通滤波器得到式(4)和式(5)。

通过（6）和（7）得到网络的幅频特性曲线和相频特性曲线。

2 系统关键电路的设计

2.1 正交扫频信号源设计

AD9959是ADI公司的一款直接数字频率合成的集成芯片，具有4个独立的频率，幅度，相位控制通道输出，500MHz的系统时钟，最大系统时钟下具有0.12Hz的分辨率，10位的幅度控制字，14位的相位的控制字。在此系统中AD9959的系统时钟设置为500MHz，最大扫频范围为100Hz～100MHz，DAC最大输出电流是由DAC_RST管脚上的电阻设置的，电路中电阻值选择1.8kΩ，则最大输出电流为10.5mA，电路中AD9959的负载为50Ω，所以AD9959的最大输出电压为0.525 Vpp。

为了进一步提高AD9959的输出幅度和驱动能力，选择TI公司的一款电流反馈高速放大器OPA695，对AD9959输出的信号进行缓冲放大，OPA695的放大倍数设置为8倍，则最大输出电压可以为4.2Vpp。OPA695设计电路如图3所示。为满足频带内输出的幅度有更好的平坦度，AD9959的输出滤波电路选择巴特沃兹滤波器，截止频率为200MHz。为了保证AD9959的输出信号具有更低的噪声，在PCB的设计上需要将数字地和模拟地单点接地，模拟输出信号的走线尽可能远离其他信号线，避免信号之间串扰。

图3 OPA695电路图

2.2 零中频正交解调电路设计

零中频正交电路由AD835，RC低通滤波器和直流放大器组成。乘法器选择ADI公司的一款具有250MHz的带宽的四象模拟乘法器AD835，可以满足中低频段的频率特性的测量，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50 nV/，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。AD835设计电路如图4所示。

图4 AD835电路

经过AD835相乘后的信号需要滤除交流分量得到直流信号，滤波器选择简单的无源的三阶RC滤波，选取电阻1kΩ，电容10μF，保证信号频率在200Hz时衰减大于60dB。为了使得解调电压输出在ADC采集的电压范围内，还需要对解调的信号抬升到正电压，所以选用精密的直流放大器AD8237将低通滤波器输出的信号进行适当的放大和抬升，由于AD835的输入信号需要小于2Vpp，所以两路不同相位的正弦信号相乘得到的直流信号在±0.5V范围内，所以AD8237的增益设置为3倍，将输入电压抬高1.65V，则AD8237的最高输出电压3.15V，最低电压0.15V，保证了AD8237的输出电压在ADC的采集范围内。AD8237设计电路如图5所示。

图5 直流放大电路

■ 2.3 信号调理电路设计

信号调理电路由程控衰减电路如图6所示，压控放大电路两部分构成。程控衰减器选择ADI公司的HMC472，HMC472是一款DC - 3.8 GHz ，0.5dB步进，6位数字正电压控制衰减器，最大衰减为31.5dB，DC - 3.8 GHz最大插入损耗为1.8dB，最大输入电平为28dBm。为了进一步增加衰减范围，所以将两块HMC472级联，最大可以获得63dB的衰减。由于HMC472的RF1和RF2管脚需要交流耦合输入，选择尽可能大的电容使得HMC472工作在尽可能低的频率。

图6 信号调理电路

压控放大电路由固定放大器和压控放大器构成，固定放大器选择ADI的一款低噪高速放大器OPA847，压摆率950V/us，增益带宽积3.9GHz，输入电压噪声0.85，非常适合用于低噪宽带放大，OPA847的增益设置为21.6dB。压控放大器选择TI公司的VCA821，最大增益设置为20dB。所以信号调理电路的增益控制范围为-63～41.6dB。

3 系统软件实现

整个系统的软件设计如图7所示。由于放大器，乘法器等元器件不可避免存在输出失调电压，通带内不平坦，输出信号相位发生改变等问题，导致影响测量结果的准确度，所以待系统的各个模块完成初始化的工作后，需要将仪器的输入输出端口短接，对频率特性测试仪进行一次直通校准，获取系统自身的频率特性。直通校准完成后，可通过按键来设置正交扫频信号源的输出电平和扫频模式。STM32F407采样零中频正交解调后的信号后，判断采集的直流信号的大小，进而控制信号调理模块对测试网络的输出信号进行适当地放大或者衰减，使得解调输出的直流信号能够被准确地采集。最后将计算出增益和相位的变化显示在LCD上。

图7 软件设计流程图

4 测试结果分析

测试内容主要为：测试信号经过被测网络后输出的幅频、相频特性曲线、点频测量得到的幅度和相位信息。测试使用到的仪器有：电源、万用表、数字示波器、矢量网络分析仪等。根据测得的试验数据进行分析处理得：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，具体数据如表1、2所示。

表1 信号幅度测量对比表

表2 信号相位测量对比表

5 结语

本文设计的频率特性测试仪，采用了基于零中频正交解调的频率特性测量方法，简化了频率特性测量电路。由模拟乘法器和低通滤波器组成的零中频正交解调电路，将高频信号解调为包含测试网频率特性信息的直流信号，再通过单片机采集和计算就绘出了测试网络的幅频曲线和相频曲线。设计中加入了信号调理电路，避免进行零中频正交解调时，因信号幅度不满足解调条件带来的测量误差。频率特性测试仪的电路主要选用集成芯片进行设计，提高了电路的集成度和稳定性，这对于测试仪后期的维护更加简便。本文设计的频率特性测试仪在中低频的幅频特性和相频特性的测量精度高，性能优越，成本低，对中低端的频率特性测试仪的实际应用有很好的参考价值。