摘要：傳統(tǒng)的頻率特性測(cè)試儀不僅價(jià)格昂貴，且得不到相頻特性，更不能保存頻率特性圖和打印頻率特性圖，也不能與計(jì)算機(jī)接口，給使用者帶來(lái)了諸多不便。而本文采用DDS技術(shù)作為掃頻信號(hào)源；同時(shí)采用了集成模擬芯片AD8302對(duì)幅度和相位進(jìn)行檢測(cè)，用DSP芯片TMS320VC5409和CPLD芯片EPM7128進(jìn)行測(cè)量控制和數(shù)據(jù)處理，人杌接口部分是利用單片機(jī)AT89C51實(shí)現(xiàn)，并配有打印機(jī)接口和串行通信接口。系統(tǒng)基本達(dá)到了全數(shù)字化，這有利于縮小儀器的體積，減輕重量，降低成本，并能較好的顯示幅頻特性和相頻特性曲線。
關(guān)鍵詞：DDS；DSP；CPLD；頻率特性
在現(xiàn)代電子測(cè)量中掃頻測(cè)量占有重要地位，頻率特性測(cè)試儀運(yùn)用掃頻技術(shù)可以對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速的動(dòng)態(tài)測(cè)量，得到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果。以往的模擬掃頻儀大多是用LC電路構(gòu)成的掃頻振蕩器，其體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，而且只能顯示幅頻特性曲線，不能得到相頻特性曲線，給使用者帶來(lái)諸多不便。隨著電子科技的飛速發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化，傳統(tǒng)的頻率特性測(cè)試儀已經(jīng)無(wú)法完全滿足科研人員的需要。因此，對(duì)于數(shù)字化、智能化高性能頻率特性測(cè)試儀的需求量日益增大。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
頻率特性測(cè)試系統(tǒng)一般包含測(cè)試信號(hào)源、被測(cè)網(wǎng)絡(luò)、檢波及顯示3個(gè)部分。本系統(tǒng)根據(jù)所要完成的測(cè)試功能及技術(shù)指標(biāo)，該系統(tǒng)應(yīng)由掃頻源、幅度相位測(cè)量電路、控制及運(yùn)算部分、人機(jī)接口單元幾部分組成。系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。
信號(hào)源電路由信號(hào)發(fā)生電路和信號(hào)調(diào)理電路兩部分組成。在本系統(tǒng)中信號(hào)發(fā)生電路采用DDS技術(shù)(即直接數(shù)字頻率合成技術(shù))實(shí)現(xiàn)，用于產(chǎn)生頻率、持續(xù)時(shí)間等均可控的掃頻信號(hào)，并能夠滿足一般用戶對(duì)頻率范圍的要求；信號(hào)調(diào)理電路主要是對(duì)信號(hào)中的噪聲進(jìn)行抑制并對(duì)輸出信號(hào)的功率起到控制作用。
增益相位檢測(cè)電路是為了檢測(cè)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)兩端的幅度差和相位差。先對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)兩端的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后對(duì)其進(jìn)行模擬鑒幅和鑒相，然后把幅度差和相位差的模擬量由ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送給控制及數(shù)據(jù)處理電路進(jìn)行分析處理。
控制及數(shù)據(jù)處理電路要完成邏輯控制、數(shù)據(jù)處理和與人機(jī)接口部分通信3個(gè)主要功能，由DSP和CPLD組成。主要用于控制整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，并對(duì)測(cè)量及人機(jī)接口部分來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。
圖形顯示及接口電路負(fù)責(zé)接收各種指令和顯示測(cè)量結(jié)果，例如，測(cè)量時(shí)掃頻信號(hào)所需要的起始頻率、終止頻率、頻率問(wèn)隔、單頻點(diǎn)持續(xù)時(shí)間、信號(hào)功率等參數(shù)，以及測(cè)量完成后顯示特性曲線時(shí)顯示方式的設(shè)置，如：刻度大小選擇、文字標(biāo)注方式、坐標(biāo)選擇等。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)由掃頻源、幅度相位測(cè)量電路、控制及運(yùn)算部分、人機(jī)接口單元幾部分組成。
2．1 掃頻信號(hào)源設(shè)計(jì)
直接選用DDS技術(shù)設(shè)計(jì)掃頻信號(hào)源。從本設(shè)計(jì)要求低頻和成本考慮，這里選擇AD7008系列中20 MHz芯片。掃頻信號(hào)源框圖如圖2所示。由于AD7008內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘發(fā)生電路，所以需要外部時(shí)鐘源提供時(shí)鐘信號(hào)，本系統(tǒng)采用NBC12439為AD7008提供時(shí)鐘信號(hào)。
由于AD7008輸出信號(hào)的幅度不能達(dá)到系統(tǒng)所要求的-55～+18 dBm的范圍，故需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，放大電路的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，為了便于對(duì)輸出信號(hào)的功率控制使用了可控增益放大器，易于數(shù)字控制增益的大小；又因?yàn)檩敵鲂盘?hào)的最大功率要達(dá)到+18 dBm且信號(hào)頻率最高達(dá)5 MHz，普通的運(yùn)放難以達(dá)到要求，故使用射頻放大器來(lái)提升信號(hào)的輸出功率。AD7008所產(chǎn)生的信號(hào)直接由器件內(nèi)部的DAC輸出，內(nèi)部不含低通濾波器，故要對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理。
2．2 幅度相位檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)
介紹用幅度相位檢測(cè)芯片AD8302來(lái)檢測(cè)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅度和相位，及其信號(hào)調(diào)理電路，以及模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換電路和相位的極性判斷電路。由于增益相位檢測(cè)器AD8302要求被檢測(cè)的兩路信號(hào)功率在-60～0dBm范圍內(nèi)，為防止損壞器件，需對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行功率調(diào)整，本系統(tǒng)使用了易于數(shù)字控制增益的可控增益放大器AD8369和對(duì)數(shù)放大器AD8307構(gòu)成一個(gè)反饋系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。對(duì)數(shù)放大器AD8307可以對(duì)信號(hào)的幅度進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)被檢測(cè)到的幅度范圍，系統(tǒng)調(diào)整可控增益放大器AD8369的放大倍數(shù)，使增益相位檢測(cè)器AD8302能夠有效地對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的增益和相位進(jìn)行檢測(cè)。將模擬增益和相位檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的方法是采用ADC，由于檢測(cè)結(jié)果是個(gè)慢變信號(hào)，因此對(duì)ADC的速度要求較低，本系統(tǒng)中具有3路模擬量要轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，因此選用了多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器件——ADS8364。幅度相位檢測(cè)電路的硬件設(shè)計(jì)方案如圖3所示。
另外，由于AD8302檢測(cè)的相位是0～180°之間，不能給出相位是超前還是滯后，所以需要相位極性判斷電路對(duì)相位進(jìn)行判斷，其電路主要由分頻器電路、施密特觸發(fā)器、D觸發(fā)器等組成。
2．3 數(shù)據(jù)處理及控制電路設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)處理及控制單元主要完成通信、數(shù)據(jù)處理、功能控制等工作。主要由TMS320VC5409、晶體振蕩器、電源控制、WATCHDOG和CPLD等器件組成。
2．3．1 電路設(shè)計(jì)
這一部分電路是數(shù)字電路，所用器件均為數(shù)字器件，核心芯片是TI公司的數(shù)據(jù)處理芯片TMS320VC5409和ALTEM公司的CPLD芯片EPM7128。電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
因?yàn)橄到y(tǒng)是對(duì)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，在測(cè)量過(guò)程中要采集大量的數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行數(shù)字濾波等方法來(lái)提高準(zhǔn)確度，所以系統(tǒng)必然需要大數(shù)據(jù)量的運(yùn)算，而單片機(jī)的運(yùn)算能力弱不能達(dá)到實(shí)時(shí)處理的要求，故采用DSP作為數(shù)據(jù)處理電路的核心，考慮到系統(tǒng)成本因素采用TI公司的54系列DSP。
在選擇可編程邏輯器件時(shí)，容量大小是需要考慮的最基本問(wèn)題。故在器件選擇前，先確定完成設(shè)計(jì)功能所需邏輯資源的多少，本系統(tǒng)對(duì)CPLD所要完成的功能經(jīng)仿真、綜合后，約需占用1 500門左右的邏輯資源。綜合考慮之后選擇了Altera公司Max7000系列的EPM7128。
在圖4中TMS320VC5409通過(guò)主機(jī)接口(HPI)接受單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)的各種控制命令，并通過(guò)EPM7128STC控制掃頻信號(hào)源中的時(shí)鐘發(fā)生器NBCl24 39、DDS芯片AD7008和可控增益放大器AD8369產(chǎn)生信號(hào)功率可控的掃頻信號(hào)；控制增益相位檢測(cè)電路中的2個(gè)可控增益放大器AD8369和A／D轉(zhuǎn)換器ADS8364進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)；據(jù)輸入信號(hào)頻率對(duì)兩個(gè)MC12080的分頻比進(jìn)行控制；選通D觸發(fā)器讀入相位極性。
2．3．2 看門狗電路設(shè)計(jì)
由于本系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，且DSP系統(tǒng)的工作時(shí)鐘頻率較高，在運(yùn)行時(shí)極有可能發(fā)生干擾和被干擾，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，為了克服這個(gè)毛病，除了在軟件上做一些保護(hù)措施外，在硬件上也必須做相應(yīng)的處理。硬件上最有效的保護(hù)措施通常采用具有監(jiān)視功能(WATCHDOG)的自動(dòng)復(fù)位電路。
其基本原理為：電路提供一個(gè)用于監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行的信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)，應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)給監(jiān)視線一個(gè)高低電平發(fā)生變化的信號(hào)，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)這個(gè)信號(hào)不發(fā)生變化，自動(dòng)復(fù)位系統(tǒng)就認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行不正常并重新對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。本系統(tǒng)采用MAXIM公司的微處理監(jiān)視電路MAX706-T實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)視，電路如圖5所示。
2．4 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要功能是完成人機(jī)接口功能和通信功能，包括鍵盤、液晶顯示器、標(biāo)準(zhǔn)串行接口、微型打印機(jī)接口和與DSP通信的HPI接口等。單片機(jī)系統(tǒng)總體框圖如圖6所示。
單片機(jī)是用AT89C51，通過(guò)1片8255A來(lái)擴(kuò)展其并口，8255A的C口用于鍵盤接口，A口接到打印機(jī)數(shù)據(jù)線，打印機(jī)的控制線接于單片機(jī)的P1口(占3位)，8255A的B口對(duì)液晶顯示器進(jìn)行控制，液晶顯示器的數(shù)據(jù)線通過(guò)緩沖器接于單片機(jī)的P0口。HPI接口完成與DSP的通信。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)電路的軟件設(shè)計(jì)包括DSP軟件設(shè)計(jì)和CPLD的軟件設(shè)計(jì)。
3．1 DSP軟件設(shè)計(jì)
DSP軟件的設(shè)計(jì)使用了TI公司的CCS開發(fā)工具，通過(guò)DSP仿真器進(jìn)行調(diào)試，使用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。
DSP軟件程序主要功能是通過(guò)中斷方式從單片機(jī)系統(tǒng)中得到各種設(shè)置參數(shù)和命令，并根據(jù)這些參數(shù)和命令進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置和相應(yīng)操作，并將采集的數(shù)據(jù)處理后送單片機(jī)系統(tǒng)顯示。另外還要照看看門狗。其程序流程圖如圖7所示。
3．1．1 主程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)上電后，TMS320VC5409內(nèi)部固化的加載程序檢測(cè)到外部8為并行加載方式有效，則將存儲(chǔ)在AT29C010A中的源程序取出存入內(nèi)部SRAM中。源程序占據(jù)FLASH的低32 K地址空間0000H～7FFFH，同時(shí)映射在DSP外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間8000H～FFFFH。加載過(guò)程中DSP軟件上自動(dòng)設(shè)置7個(gè)等待周期，可保證數(shù)據(jù)存取正確。加載完畢程序開始順序執(zhí)行，首先設(shè)置定時(shí)器，開定時(shí)器中斷，使其在每低于0．8 s的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一次中斷，在定時(shí)器中斷子程序中設(shè)置專用輸出管腳XF,使看門狗的輸入端定時(shí)產(chǎn)生變化，否則其將產(chǎn)生DSP的RESET信號(hào)。然后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化結(jié)束后。為了降低系統(tǒng)功耗可使DSP進(jìn)入空轉(zhuǎn)狀態(tài)(IDLE)，直到中斷發(fā)生。程序流程如圖8所示。
初始化包含DSP初始化、AD7008初始化以及AD8369的初始化。DSP的初始化主要是對(duì)中斷向量的定義，內(nèi)部時(shí)鐘的設(shè)置，外部等待時(shí)間的設(shè)置以及內(nèi)部空間SRAM／DRAM的映射等，這些都是通過(guò)對(duì)DSP內(nèi)部專用寄存器的設(shè)置來(lái)完成的。AD7008的初始化可通過(guò)設(shè)置控制寄存器來(lái)完成。AD8369的初始化是把AD8369的放大倍數(shù)降為最小-10 dB，可以減少信號(hào)源電路的射頻功放的功率，也可以保護(hù)增益與相位檢測(cè)電路中增益鑒相器AD8302，使AD8302的輸入信號(hào)功率保持為最低，防止輸入信號(hào)功率過(guò)大損壞器件。
3．1．2 HPI中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)
HPI口是連接單片機(jī)與DSP的接口，通過(guò)HPI口，主機(jī)也就是單片機(jī)可以向DSP寫數(shù)據(jù)，也可以從DSP的RAM單元讀取數(shù)據(jù)；同時(shí)通過(guò)HPI口控制寄存器提供的中斷位，以及HPI的中斷信號(hào)中斷單片機(jī)，主機(jī)和單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)很好的對(duì)話。并且，根據(jù)單片機(jī)來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)操作。其流程圖如圖9所示。
AD7008單頻工作的目的是為了檢測(cè)輸入信號(hào)的幅度范圍，從而設(shè)置輸入AD8369的增益倍數(shù)。AD7008以起始頻率為頻率點(diǎn)進(jìn)行單頻工作，輸入信號(hào)的幅度檢測(cè)由AD8307來(lái)完成，檢測(cè)結(jié)果由ADS8364的C通道進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，供DSP采集。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)置值后，DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷出輸入信號(hào)的幅度，以設(shè)置檢測(cè)電路中AD8369(2、3)的增益。
3．1．3 AD中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)
在AD中斷服務(wù)子程序中，主要是對(duì)采樣數(shù)據(jù)的讀取，如果是ADS8364的C通道的數(shù)據(jù)則是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行幅度判斷：如果是ADS8364的A，B通道的數(shù)據(jù)則是進(jìn)行幅度相位的測(cè)量。測(cè)量結(jié)束后，將處理好的數(shù)據(jù)送單片機(jī)顯示。其流程圖如圖10所示。
通過(guò)C通道判斷以后，就設(shè)置好了檢測(cè)電路中的AD8369(2、3)，完成了掃頻測(cè)試前的準(zhǔn)備工作，AD7008可以開始掃頻工作了。按照起始頻率、頻率步長(zhǎng)、單頻點(diǎn)持續(xù)時(shí)間等對(duì)AD7008相應(yīng)寄存器進(jìn)行設(shè)置，使AD7008輸出滿足要求的掃頻信號(hào)；緊接著啟動(dòng)ADS8364的A、B兩通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換的是AD8302的增益和相位檢測(cè)電壓：DSP在中斷服務(wù)子程序中對(duì)ADS8364進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。并做以下工作：接收采集數(shù)據(jù)，判斷單頻點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)量，進(jìn)行單頻點(diǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波和簡(jiǎn)單計(jì)算處理，判斷掃描頻率點(diǎn)數(shù)是否達(dá)到要求，決定掃頻是否結(jié)束，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形顯示格式送單片機(jī)顯示。
3．1．4 1s中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)
1s中斷服務(wù)程序較為簡(jiǎn)單，就是照看看門狗，看門狗是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要部件，由于系統(tǒng)的高速運(yùn)行，外界的干擾以及程序內(nèi)部的有關(guān)問(wèn)題，都有可能導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)死機(jī)的情況。設(shè)置看門狗就是在系統(tǒng)出現(xiàn)意外而導(dǎo)致運(yùn)行紊亂、死機(jī)時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行的保證。在系統(tǒng)出現(xiàn)上述情況時(shí)，當(dāng)時(shí)間超過(guò)1 s時(shí)，看門狗將自動(dòng)重新啟動(dòng)系統(tǒng)。相關(guān)內(nèi)容在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分有涉及。
3．2 CPLD軟件設(shè)計(jì)
CPLD的軟件設(shè)計(jì)使用MAXIM公司的MAX+PLUSII開發(fā)工具，使用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編程。這部分程序主要是對(duì)來(lái)自DSP的信號(hào)進(jìn)行譯碼后，對(duì)各個(gè)器件進(jìn)行控制，使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，完成測(cè)量任務(wù)。其設(shè)計(jì)流程圖如圖11所示。
圖12是CPLD對(duì)AD7008控制時(shí)序的仿真結(jié)果。從圖中可以看到，當(dāng)IOS和IOSTRB信號(hào)為低電平(這時(shí)DSP選中IO空間)時(shí)，CPLD芯片對(duì)DSP的高位地址(ADD15～ADD9)進(jìn)行譯碼，當(dāng)高位地址為00H時(shí)，選中AD7008芯片，并在DSP讀寫信號(hào)RW為低時(shí)，DDSWRB變?yōu)榈碗娖?，即?duì)AD7008進(jìn)行寫入操作；當(dāng)高位地址為78H時(shí)，CPLD使DDSRESET信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，即?duì)AD7008進(jìn)行復(fù)位操作；當(dāng)高位地址為01H時(shí)，CPLD使DDSFUD信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑駝t變?yōu)榈碗娖剑诵盘?hào)在上升沿對(duì)AD7008內(nèi)部存貯器進(jìn)行更新操作?？梢钥闯?，仿真結(jié)果符合要求。
圖13是CPLD對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8364的仿真結(jié)果，同樣，當(dāng)IOS和IOSTRB信號(hào)為低電平(這時(shí)DSP選中10空間)時(shí)，CPLD芯片對(duì)DSP的高位地址(ADD15～ADD9)進(jìn)行譯碼，當(dāng)高位地址為20H時(shí)，ADCRESETB信號(hào)輸出低電平，對(duì)AD8364進(jìn)行復(fù)位操作；當(dāng)高位地址為30H時(shí)，ADCCSB信號(hào)輸出低電平，對(duì)ADS8364進(jìn)行片選；當(dāng)最高四位地址(ADD15～ADD12)為0CH時(shí)，由ADD11、ADD10、ADD9三位譯碼決定HOLDC、HOLDB、HOLDA的輸出電平；這3個(gè)信號(hào)分別控制ADS8364的3個(gè)采樣通道的轉(zhuǎn)換。由圖可以看出，其仿真結(jié)果符合要求。
4 測(cè)量結(jié)果
掃頻范圍0．004 7 Hz～5 MHz，可以在全頻段內(nèi)任意設(shè)置掃頻寬度，分辨率為0．004 7 Hz，輸出電平范圍-55～+18 dBm，掃頻步長(zhǎng)可以在0．004 7 Hz～0．5 MHz范圍內(nèi)自行調(diào)整；輸出阻抗50 Ω，相位測(cè)量精度小于0.1°，幅度測(cè)量精度小于0.5 dB，不平坦度+／-0．25 dB，電控衰減并數(shù)字顯示衰減量，能在全頻范圍內(nèi)自動(dòng)步進(jìn)測(cè)量，可預(yù)置測(cè)量范圍及步進(jìn)頻率值。能顯示幅頻特性和相頻特性曲線，并能根據(jù)選擇，放大局部曲線，可以用對(duì)數(shù)坐標(biāo)和線性坐標(biāo)顯示，并配有文字標(biāo)注。
5 結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以方便地測(cè)量未知網(wǎng)絡(luò)中低頻率的相頻特性和幅頻特性，并在LED上顯示。適用于科研、教學(xué)以及生產(chǎn)領(lǐng)域等方面，與傳統(tǒng)的頻率測(cè)試儀相比，用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)為頻率特性測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)數(shù)字化開辟了道路，利用液晶顯示器技術(shù)使頻率特性測(cè)試儀小型化成為可能。此測(cè)試儀有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，可取代傳統(tǒng)的頻率測(cè)試儀。