随着现代电子技术的飞速发展，频率特性测试仪是现代电子测量领域的重要工具，其设计理念也在不断创新。频率特性测试仪是测试网络或电路频率特性的仪器，又称频率扫描仪；可用于测量信号传输网络、信号放大电路、滤波电路等双口网络的幅频特性和相频特性。在传统的扫频仪设计方法中，需要通过不同的电路模块获取被测网络的幅频特性和相频特性进行峰值检测和相位差测量，导致系统由多个模块组成，电路复杂，体积大。为此，本文设计了一种新型频率特性测试仪，采用直接频率合成(DDS)芯片AD9854产生正交扫频信号，以低功耗单片机STM32作为任务控制和数据处理的核心部件。
1.总体规划
频率特性测试仪的设计基于零中频正交解调原理，系统整体结构如图1所示。
图1系统的整体结构
DDS集成芯片AD9854旨在产生正交扫频信号。芯片中集成了两个高速高性能正交D/A转换器，通过数字编程可以输出I、Q合成信号。这两个信号分别经过七阶椭圆低通滤波器LBP1整形，再经过DC阻塞电路放大得到所需幅度的正交信号，然后基于正交解调原理对被测双口网络进行扫频测量。
让正交信号的同相分量U1=A1COSt和正交分量Uq=A1SINt通过放大阻塞电路。设被测网络的电压传递函数()，则同相分量u1通过被测网络后的稳态响应电压为：
假设模拟乘法器的增益系数为k，则模拟乘法器之后的同相分量支路的输出为：
正交分量分支的输出为：
每个分支的信号中的和频分量被低通滤波器LBP2滤波。假设低通滤波器通带内的增益为B，滤波后的同相分量和正交分量分别为：
ADC对I和Q信号进行采样后，在STM32中进行处理。通过计算，相移和电压增益可由下式获得：
在设计中，乘法器增益系数、正交信号幅度的平方a1和低通滤波器LBP2的带内增益的乘积为2，因此可以方便地计算Av。对于点频输入信号，通过被测网络的频率信号的电压增益和相移可以利用方程(5)和(6)得到，而对于扫频输入信号，可以得到被测网络的幅频特性和相频特性曲线。
图1中加法电路的功能是调整电平，并为后续ADC数据采集提供合适的信号电压。本设计采用STM32片内ADC进行模数转换，其电压测量范围为0.0 ~ 3.3 V，I、q信号经过模拟乘法器和低通滤波后，信号电压范围is-1.0~为1.0v，需要通过增加电路来提高，以满足采样要求。数据经AD转换后，由STM32进行处理，由LCD显示幅频和相频特性。
2.硬件电路
2.1正交扫描信号产生电路
数字频率合成器芯片AD9854用于产生扫频信号。在高稳定时钟的驱动下，该芯片可以产生频率、相位和幅度可编程的正弦和余弦信号，允许输出信号频率高达150MHz。AD9854的外围电路设计如图2所示。AD9854的参考时钟引脚69连接到30MHz有源晶体振荡器，通过对片内PLL进行编程并将其放大10倍，可以获得300MHz的系统时钟。
图2正交扫描信号产生电路
AD9854芯片中有两个高速正交DAC，可以输出两个正交信号
其中，IOUT是DAC满量程输出电流的幅度，需要合理设置该参数，以使正交DAC获得最佳窄带无杂散动态范围。在本设计中，RSET电阻为3.9k，IOUT为10mA。在图2中，I和Q的输出电阻R5、R6均为50，因此DDS输出的最大电压幅度为500mV。
I和Q DACs的正交信号输出端IOUT1、IOUT2需要连接一个低通滤波器。作者设计了一个七阶椭圆低通滤波器，其过渡带迅速下降，截止频率为100MHz，通带纹波为0.05dB，阻带最小衰减为50dB。椭圆滤波器主要用于平滑信号，滤除高频干扰和DDS谐波杂散信号。
2.2STM32与AD9854之间的接口电路
采用低功耗单片机STM32F103作为任务控制核心，其与AD9854的接口电路如图3所示。STM32F103是一款基于ARM CortexTM-M3内核的32位标准RISC处理器。它具有32位硬件除法器和单周期乘法器，具有很强的数据处理和计算能力，满足本设计中数据处理的要求。并且它的I/O端口丰富，还拥有三个12位ADC，方便数据采集。同时，该芯片采用3.3V单电源供电，可以直接读写AD9854的引脚，无需额外的电平转换电路，从而简化了硬件设计。
图stm32与AD9854之间的硬件连接
STM32F103与AD9854之间采用并行通信。AD9854的8位双向并行编程数据输入端口D [7: 0]与STM32F103的PC端口的低8位相连，AD9854的6位并行地址总线输入引脚A [5: 0]与STM32F103的PC [13: 8]相连。AD9854有40个8位寄存器，地址范围为00h至27h，用于存储控制字和状态字。通过将数据写入这些内部寄存器，我们可以控制AD9854的工作，包括工作模式、输出信号频率、相位和幅度。通过STM32设置寄存器地址A [5: 0]和值D [7: 0]，可以在WR信号的下降沿和上升沿写入AD9854的控制字。
2.3模拟乘法器电路
乘法电路的设计采用高速模拟乘法器AD835，是一款完整的四象限电压输出模拟乘法器，3dB带宽为250MHz，产品噪声低。外围电路设计如图4所示。AD835的输入电压范围为1.0v is-1.0~，有两路差分输入，即X1、X2和Y1、Y2。在设计中，差分输入的一端接地，另一端连接乘法信号。芯片将X和Y两个输入信号相乘，加到Z引脚的输入电压上，再通过放大电路从W引脚输出。为了确保AD835乘法器的乘法系数K=1，R1、R2的连接如图4所示。调整R2，使R1/R2=20。此时乘法器的输出为W=XY Z，如果Z端接地，只进行乘法运算，则最终输出为W=XY。在设计中，为了保证输入到AD835的信号X和Y满足幅度要求且不含DC分量，在低通滤波器LBP1后增加了一个由超高速运算放大器AD8009组成的同相比例放大器，信号中的DC分量通过DC隔直电容去除。
图4模拟乘法器外围电路
2.4二阶有源低通滤波器
低通滤波器LBP2采用二阶有源低通滤波器，用于滤除正交调制过程中产生的频率为2的信号分量。设扫描时间为Ts，扫描N个频点，则每个频点的扫描时间为Ts/N，时间常数为4次，低通滤波器的截止频率为fo=4N/Ts。在本设计中，扫描时间为2s，最大频率点数为500，因此计算出的fc为1kHz。为了确保裕量，设计中选择截止频率fc=2kHz。本文利用精密运算放大器0P27设计了二阶巴特沃兹低通滤波器。电路拓扑采用Sallen-Key结构，电压增益为2。
3.软件部分
系统软件部分主要包括主程序、键盘扫描子程序、AD9854控制子程序、A/D转换子程序和液晶显示子程序。主程序首先初始化系统，配置STM32的GPIO端口，初始化片内LCD、AD9854和ADC，然后等待按键输入选择测量模式。A/D转换子程序配置片内ADC，实现点频和扫频测量数据的采集、存储和多次采样确认。液晶显示子程序完成显示幅频和相频特性、清屏和显示字符等功能。AD9854控制子程序完成DDS芯片工作模式选择、正交扫描信号频率设置和扫描信号幅度设置功能。软件主程序流程如图5所示。
图5主程序流程
限于篇幅，仅列出了关于AD9854工作模式设置以及正交信号幅度和频率设置的部分程序代码：
//将AD9854的工作模式设置为单音，将参考时钟乘以10倍，并通过引脚20从外部刷新频率。
无符号cha rmodel[4]={0x00，0x4A，0x00，0x 60 }；
//默认初始频率为1MHz，根据公式fOUT=(fSYSCLKFW)/2N计算频率字FW。
无符号char freq[6]={0x00，0xDA，0x74，0x0D，0xA7，0x 41 }；//信号频率控制字
无符号字符信号AM1[2]={0xFf，0x ff }；//信号幅度控制字
无符号字符信号AM2[2]={0XFf，0x ff }；//信号幅度控制字
ad 9854-Reset()；
AD9854-SetSpecialWord(模式1)；//设置AD9854的工作模式。
ad 9854-SetOutkeyI(signal am 1)；//设置支路1的信号幅度。
ad 9854-SetOutkeyQ(signal am 2)；//设置Q支路的信号幅度。
ad 9854-SetFreql(freq)；//设置正交信号频率。
ad 9854-iou update()；//频率刷新
其中，调用的一些子程序如下：
结束语
概述了用AD9854和STM32设计的频率特性测试仪。测试仪可测量150m Hz的点频和扫频，可手动预设频率测量范围和步进频率，并在320240彩色液晶屏上显示幅频特性和相频特性曲线。该系统界面友好，运行稳定。本设计基本实现了数字化，满足了低功耗的要求。由于扫频测量法是稳态测量法，需要等到被测网络的输出达到稳态后再进行测量。所以在本设计中，扫描测频的速度不要设置的太快，STM32发送频率控制字和获得ADC采样转换值之间要有适当的延迟。否则，如果被测网络响应建立时间过长，扫频测量速度过快，就会形成建立误差，使被测特性曲线失真。责任编辑：抄送
