簡易頻率特性測試儀電子競賽系統(tǒng)采用STM32F407作為主控芯片，以直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)提供掃頻信號源，通過幅頻特性檢測電路和相位差檢測電路獲取被測網(wǎng)絡的幅頻、相頻數(shù)據(jù)，最終在TFTLCD上同步顯示幅頻特性曲線和相頻特性曲線。系統(tǒng)核心由信號源模塊、幅頻檢測模塊、相頻檢測模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及人機交互模塊五部分構(gòu)成。信號源模塊是系統(tǒng)的激勵源，需覆蓋100Hz至1MHz的掃頻范圍，頻率步進最小10Hz，輸出幅度0.1Vrms至5Vrms可調(diào)。選用AD9850作為DDS芯片，其最高工作頻率125MHz，通過40MHz晶振提供參考時鐘，內(nèi)部48位頻率累加器可實現(xiàn)0.029Hz的頻率分辨率，滿足設計需求。AD9850的DDS輸出經(jīng)低通濾波器（截止頻率50MHz，3階巴特沃斯結(jié)構(gòu)，R=100Ω，C1=33pF，C2=100pF，L=100nH）濾除高頻雜波，后級接AD811高速運放構(gòu)成的緩沖器，隔離負載對信號源的影響。運放輸出端并聯(lián)50Ω匹配電阻，確保被測網(wǎng)絡輸入阻抗匹配。為實現(xiàn)幅度可調(diào)，在緩沖器后級加入AD5242數(shù)字電位器，通過I2C接口調(diào)節(jié)反饋電阻，改變運放增益（增益范圍0.1至10倍），配合前級固定衰減（10dB），最終輸出幅度覆蓋設計要求。幅頻特性檢測模塊需將被測網(wǎng)絡輸出信號的幅度轉(zhuǎn)換為直流電壓，供主控芯片ADC采樣?？紤]到被測信號頻率范圍寬（100Hz1MHz），傳統(tǒng)二極管檢波電路在低頻段（<1kHz）存在檢波效率低、線性度差的問題，故選用AD8307對數(shù)放大器。AD8307的工作頻率范圍為100kHz至2.5GHz，輸入動態(tài)范圍52dBm至+13dBm，輸出電壓與輸入功率成線性關系（斜率25mV/dB）。被測網(wǎng)絡輸出信號經(jīng)AD811緩沖后輸入AD8307，其輸出電壓Vout=25mV/dB×(PinPin0)+Vref，其中Pin0為0dBm參考點（對應50Ω負載時0.224Vrms）。AD8307輸出經(jīng)RC低通濾波器（R=10kΩ，C=10μF，截止頻率1.59Hz）平滑后，接入STM32的12位ADC（采樣率1MHz），采樣值經(jīng)軟件校準后得到實際幅度值。校準過程通過標準信號源（如Keysight33500B）輸入已知幅度信號，記錄ADC采樣值與實際幅度的對應關系，建立分段線性校準表，補償AD8307的非線性誤差和電路偏移。相頻特性檢測模塊需測量被測網(wǎng)絡輸入與輸出信號的相位差，范圍180°至+180°，精度優(yōu)于1°。采用AD8302相位差/幅度差檢測芯片，其工作頻率范圍1MHz至2.7GHz，相位檢測精度±0.5°（在100MHz時），適合本系統(tǒng)需求。被測網(wǎng)絡輸入信號（即信號源輸出）和輸出信號分別經(jīng)AD811緩沖后，輸入AD8302的CH1和CH2端口。AD8302內(nèi)部將兩路信號正交相乘，輸出電壓Vphase與相位差θ滿足Vphase=(θ/180°)×0.92V+0.5V（典型值）。為擴展低頻段（<100kHz）的檢測精度，AD8302的輸入信號先通過LM311構(gòu)成的過零比較器轉(zhuǎn)換為方波（滯回電壓設置為50mV，防止噪聲引起的誤翻轉(zhuǎn)），方波信號經(jīng)74HC14施密特觸發(fā)器整形后輸入AD8302，避免低頻正弦信號過零時的斜率過小導致相位檢測誤差。AD8302輸出經(jīng)RC低通濾波器（R=1kΩ，C=10μF，截止頻率15.9Hz）平滑后，接入STM32的另一路ADC，采樣值通過公式θ=[(Vsample0.5V)/0.92V]×180°計算相位差。對于超過180°的相位差（如被測網(wǎng)絡為高階系統(tǒng)），通過比較兩路信號的頻率和過零時刻的先后順序，結(jié)合軟件判別實現(xiàn)0°360°的全相位覆蓋。數(shù)據(jù)處理模塊由STM32F407完成，主要功能包括：1）控制DDS芯片實現(xiàn)掃頻：通過SPI接口向AD9850寫入頻率控制字（FCW=(f_out×2^48)/f_ref，f_ref=40MHz），掃頻模式支持點頻、線性掃頻（步進10Hz10kHz可選）、對數(shù)掃頻（10倍頻程/分鐘）；2）同步采集幅頻和相頻數(shù)據(jù)：在每個掃頻點，等待信號源穩(wěn)定（延遲1ms），然后啟動ADC采樣（每點采樣10次取平均），獲取幅度和相位值；3）數(shù)據(jù)校準：調(diào)用幅頻校準表和相位校準表（預先通過標準移相器和衰減器標定），修正系統(tǒng)誤差；4）曲線繪制：將幅度值轉(zhuǎn)換為dB（20log(Vout/Vin)），相位值保持角度，通過TFTLCD的8080接口（16位色，320×240分辨率）繪制曲線，支持縮放、平移、光標讀數(shù)（顯示當前頻率點的幅度和相位值）。人機交互模塊包括按鍵輸入和LCD顯示。按鍵用于設置掃頻參數(shù)（起始頻率、終止頻率、步進方式、輸出幅度）、選擇顯示模式（幅頻/相頻單獨顯示或同步顯示）、觸發(fā)單次/連續(xù)掃頻。LCD顯示區(qū)分為參數(shù)區(qū)（顯示當前頻率、幅度、相位）和曲線區(qū)（實時更新掃頻曲線），曲線采用藍色（幅頻）和紅色（相頻）區(qū)分，網(wǎng)格線間隔為10dB（幅頻）和30°（相頻），光標移動時顯示對應坐標值。系統(tǒng)測試部分，選取典型被測網(wǎng)絡驗證性能：1）RC低通濾波器（R=1kΩ，C=100nF，理論截止頻率f_c=1/(2πRC)=1.59kHz）：掃頻范圍100Hz10kHz，步進100Hz。實測幅頻特性在f_c處衰減3.2dB（理論3dB），誤差源于AD8307的非線性（校準后殘余誤差約0.2dB）和運放AD811的低頻增益偏差（約0.1dB）。相頻特性在f_c處相位差為45.5°（理論45°），誤差來自AD8302的低頻檢測精度（<100kHz時典型誤差±1°）和過零比較器的延遲（約20ns，對應相位誤差0.072°在1kHz時可忽略）。2）LC帶通濾波器（L=100μH，C=10nF，R=10Ω，理論中心頻率f0=1/(2π√(LC))=50.3kHz，帶寬BW=R/(2πL)=15.9kHz）：掃頻范圍10kHz100kHz，步進1kHz。實測中心頻率50.1kHz（誤差0.4%），通帶最大增益20dB（理論20log(Q)=20log(f0/BW)=20log(3.16)=10dB，誤差因未考慮運放增益，實際電路中前級運放提供10倍增益），3dB帶寬16.2kHz（誤差1.9%）。相位特性在中心頻率處相位差為0°，兩側(cè)分別呈+90°和90°變化，與理論一致。誤差分析與改進：系統(tǒng)主要誤差來源包括AD8307和AD8302的器件公差（約±0.5dB和±1°）、ADC量化誤差（12位ADC對應0.024V/LSB，AD8307輸出范圍02V，量化誤差約0.3dB）、信號源諧波失真（AD9850輸出諧波<40dBc，對幅頻測量影響可忽略）。改進措施包括：1）采用軟件溫度補償（在STM32中加入溫度傳感器，實時修正AD8307和AD8302的溫度漂移）；2）升級ADC為16位（