本文格式為Word版，下載可任意編輯——基于AD9854和FPGA的頻率特性測試儀

大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽一等獎(jiǎng)

引言

AD9854數(shù)字合成器是高度集成的器件，它采用先進(jìn)的DDS技術(shù)，片內(nèi)整合了兩路高速、高性能正交D/A轉(zhuǎn)換器，在高穩(wěn)定度時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，AD9854可產(chǎn)生頻率穩(wěn)定、相位、幅度可編程的正弦和余弦信號?；谶@個(gè)特性，AD9854分外適合作網(wǎng)絡(luò)頻率特性測試儀的信號源。采用FPGA操縱AD9854的信號輸出和ADS7813的采樣時(shí)序，生動(dòng)便當(dāng)，F(xiàn)PGA有豐富的規(guī)律資源和高速運(yùn)算才能，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

1系統(tǒng)原理及方寨設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)原理

A為正交信號源的幅度，為恒定值，由此可計(jì)算得到待測信號的幅度值。

取兩個(gè)直流信號比值，再取其反正切，可得相位差

1.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由集成DDS芯片AD9854產(chǎn)生兩路頻率范圍為1MHz-40MHz的正交恒幅掃頻信號，經(jīng)無源巴特沃斯低通濾波器濾波后由寬帶運(yùn)算放大器放大輸出。將一路信號作為待測網(wǎng)絡(luò)的信源，再將待測網(wǎng)絡(luò)的輸出信號分別與掃頻信號源產(chǎn)生的兩路正交信號混頻，分別由低通濾波器濾除高頻信號得到直流信號，由兩個(gè)AD分別采集后送入FPGA舉行數(shù)據(jù)處理得到被測網(wǎng)絡(luò)輸出信號幅度和相位，同時(shí)顯示測得網(wǎng)絡(luò)參數(shù)并畫出幅頻特性曲線和相頻特性曲線。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2電路設(shè)計(jì)

2.1DDS掃頻信號源

AD9854的DDS核具有48位的頻率辨識(shí)率（在300M系統(tǒng)時(shí)鐘下，頻率辨識(shí)率可達(dá)luHz），輸出14位相位截?cái)啾ＷC了良好的無雜散動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)。由于時(shí)鐘為300MHz時(shí)，產(chǎn)生40MHz信號一個(gè)周期內(nèi)只有7個(gè)點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)一個(gè)7階無源橢圓低通平滑濾波器可以使波形無明顯失真，實(shí)際得到的信號信噪比大于40dB。橢圓濾波器用軟件FilterSolution設(shè)計(jì)，如圖2所示。

2.2放大器

2.3混頻器

2.4低通濾波器

混頻器的輸出信號包含一個(gè)高頻信號和一個(gè)直流信號分量，因此一個(gè)簡樸的RC低通濾波器就可以達(dá)成濾除高頻信號留存直流分量的效果。設(shè)計(jì)的濾波器截止頻率為lkHz，后接一級直流放大器，將信號放大至適合大小，以便提高ADC的采集精度。

2.5ADC設(shè)計(jì)

AD采集的信號為雙極性，且信號幅度跨度大，這對ADC精度要求較高。系統(tǒng)選用16位ADS7813實(shí)現(xiàn)。ADS7813是串行AD，其SINAD=85dB，ENOB（有效位）=（SINAD-1.76）/6.02，計(jì)2.6待測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)以FPGA為操縱核心，操縱AD9854產(chǎn)生正交信號，舉行功能選擇以及數(shù)據(jù)處理。開機(jī)初始化后進(jìn)入功能按鍵等待狀態(tài)，功能按鍵包括頻率步進(jìn)設(shè)置、掃頻起始與終止頻率設(shè)置、單點(diǎn)頻率設(shè)置、幅頻特性和相頻特性測量與顯示等。軟件流程圖如圖5所示。

4誤差分析

系統(tǒng)誤差來源主要包括：（1）掃頻信號源的正交性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于正交解調(diào)原理，信號源正交性的偏差直接導(dǎo)致測量結(jié)果誤差增大。AD9854產(chǎn)生的正交信號正交性誤差較小。（2）系統(tǒng)布局布線。整板信號為高頻信號，對PCB電路的布局布線要求較高，尤其是AD9854外圍電路布局，數(shù)字和模擬片面應(yīng)分開，數(shù)字地和模擬地之間單點(diǎn)共地，且應(yīng)做好電路每一處電源的去耦。（3）混頻器的直流漂移。混頻器是系統(tǒng)的核心器件，器件的直流漂移直接導(dǎo)致濾波器輸出的直流信號的誤差。實(shí)際測量時(shí)AD835輸出有40mV左右的固定直流偏移，根據(jù)AD835的特性在其Z輸入引腳設(shè)計(jì)調(diào)零電路，使輸出直流漂移為O。

5結(jié)語

系統(tǒng)完成簡易頻率特性測試儀的全部功能和指標(biāo)，信號幅度平衡誤差≤1.4%，相位差誤差十足值≤1.30°，掃頻頻率范圍及步進(jìn)在1MHz-40MHz之間可任意設(shè)置，步進(jìn)為lOOkHz時(shí)單次最大掃頻時(shí)間為1.2s。頻率特性測試儀輸入輸出阻抗為50