基于FPGA和MSP430的频率特性测试仪

陈小桥, 李希希, 李 哲, 李 卓

(武汉大学 a. 电子信息学院； b. 物理学院， 湖北 武汉 430072)



基于FPGA和MSP430的频率特性测试仪

陈小桥a, 李希希a, 李 哲b, 李 卓a

(武汉大学 a. 电子信息学院； b. 物理学院， 湖北 武汉 430072)

以FPGA和MSP430F6638为控制核心，主要包含信号源、被测网络、检波及显示部分。其中，测试信号源基于DDS原理，可以实现0.1～150 kHz的扫频，最小步进10 Hz，稳定度优于10-4，测量精度1%。并设计制作了中心频率5 kHz，带宽±50 Hz的阻容双T网络。检波部分采用高性能芯片AD637测量双T网络输出信号的有效值，通过单片机计算峰值；并将输出、输入信号分别放大整形得到稳定的方波输入FPGA计算相差，从而绘制幅频特性曲线和相频特性曲线。可以通过键盘设置步进，切换幅频特性曲线、相频特性曲线的显示界面，以及其他参数的显示和查看。整个系统是单片机和FPGA的有机结合、协同控制下，工作稳定，测量精度高，人机交互灵活。

DDS； 相频特性； 幅频特性； 扫频； 双T网络

0 引 言

频率特性的分析在模拟电路的设计、应用中十分重要，很多情况下都需要对信号进行扫频分析，根据需要提取幅频特性与相频特性等信息。

本文基于FPGA和MSP430F6638设计制作一个频率特性分析仪，采用DDS制作信源，能有效地提高信号的稳定性，通过FPGA和集成真有效值检测芯片，较准确地绘出了幅频特性曲线，通过比较饱和放大后，模块的输入输出信号得到相位差，绘制出相频特性曲线，另外也改进了阻容双T测试网络，以期达到更好的稳定性和精度，提高人机交互性能，也便于平时实验中的使用。

1 系统总体设计

本系统以FPGA和单片机MSP430F6638为控制核心，包括信源产生电路、被测网络、有效值检测电路、相位检测电路以及键盘和LCD界面显示部分[1]。具体的实现方框图见图1。

图1 系统总体框图设计

本系统采用DAC904产生标准的正弦信号，经过电流电压转化并进一步放大输入到双T网络，在输出端通过有效值检测芯片AD637网络得到输出信号的有效值，再通过ADS8505传送给单片机计算出其峰值并存储。另外，将双T网络的输入端和输出端分别接入测相网络的两个输入端，通过低噪声高速放大器OPA690饱和放大后再经高速比较器TL3016滞回比较得到方波接入FPGA，计算出信号经过网络的相位变化，用等精度测量法测频，扫频，再根据计算出的幅度和相位绘制出幅频特性曲线和相频特性曲线，并在液晶屏LCD12864上实时显示。外围电路接有键盘，除软件自动扫频外，还可以手动控制频率步进，并实现幅频特性曲线和相频特性曲线界面的切换，使界面友好、美观。

2 方案设计

2.1 被测信号源

被测信号源一般采用直接数字频率合成器DDS产生[2-4]。采用DAC，用RAM存储所需波形的量化数据，按不同的频率要求以频率控制字K为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码取出双口RAM中的波形数据，经D/A转换，再低通滤波，适度放大得所需波形。DDS相对带宽很宽、频率转换时间短(可小于20 ns)、频率分辨率高(典型值为0.001 Hz)，而且全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控，理论上讲，只要累加器的位数足够多，便能够实现任意波形。

由于本题的频率范围较小，故选择14位高速数模转换器DAC904做DDS芯片产生所需的正弦信号，完全可以达到要求，且功耗较小，较为简便。

2.2 幅度测量

检波二极管构成的峰值检测电路，实现简单，在很宽的频带内的输出基本不变，在1～2 V误差很小(1%)，且便于数据拟合。但由于电容充放电特性造成的低频效应，在频率低于100 Hz时测量误差较大，更适用于高频信号峰值检测。

高精度、宽带真有效值检波专用芯片AD637量程在0～7 V范围内可调，当输入电压200 mV(RMS)时，频率上限为600 kHz；大于1 V(RMS)时频率上限8 MHz，电路在测量峰值因数高达10的信号时附加误差仅为1%。但频率1 MHz以上的信号衰减很快，不适合高频测量，恰好本系统频率范围较小，故采用AD637电路实现对正弦波的幅度测量。

2.3 相位测量

如图2所示，将待测的两路信号分别整形为方波信号，送到鉴相器，电压的直流成分反映了两路信号的相差，将输出电压经低通滤波取出直流成分，送到A/D采样，就能计算出两路信号的相差。此法将相位转换为电压，操作简单，可以测量高频信号的相位差，但测量速度较慢，且由于存在滤波器，精确度较低[7]。

也可采用两片高速A/D转换芯片同时对输入、输出信号进行等时间间隔采样并将采样结果分别存储，然后对所测信号的波形数据进行分析。 扫描存储在RAM中的波形数据，查找两部分数据的最大值或最小值，计算两片A/D转换器采集两部分波形数据的最大值或最小值的时间间隔，则信号的相位差为：

(1)

其中：ΔΤ为两路信号相邻极值的时间间隔；T为信号周期。但此法对AD要求很高，测量频率范围很小。

经综合考虑，为减小量化误差，提高测量精度，采用计数法，将待测的两路信号放大后分别经过比较器，对输出的方波进行异或操作，所得脉冲的占空比反映相位差的大小，利用D触发器产生1个宽度为整个被测信号周期整数倍的同步闸门信号，将同步闸门信号与时钟脉冲相与后送入计数器1进行计数，计数值为N1，将同步闸门信号、时钟脉冲、异或脉冲三者相与后送入计数器2进行计数，计数值为N2，则相位差为：

(2)

2.4 频率特性曲线的显示

曲线显示可采用YT模式，也可采用XY模式。根据实验室资源本系统采用LCD液晶屏，通过打点描绘实现频率特性的显示。

3 具体硬件电路设计

硬件电路主要包括信源、被测网络、幅度测量、相位测量模块。下面分别介绍这4个模块。

3.1 信源模块

如图3所示，信源模块由DDS信号产生电路组成，FPGA输出信号经DAC904转换为模拟信号，再经OPA690进行I/V转换[8-9]，即得到所需的正弦波。

3.2 被测网络模块

被测网络是一个中心频率5 kHz，带宽±50 Hz的阻容双T网络。无源网络的中心频率由RC值决定，由

(3)

可以算出RC值为3.18×10-5。通过仿真软件的仿真结果可以明显看出，无源网络的带宽不能满足题目要求，必须采用有源双T网络才能达到50 Hz的带宽[10]。

如图4，有源带阻滤波网络后接运放作为反馈网络，再加一个运放提供反馈环路的增益，同时又起到对双T网络的隔离作用。电路采用低噪声低偏置精密放大器OPA277，可提高峰峰值测量的精度[12]。双T网络的频率特性曲线见图5。

3.3 幅度测量模块

采用AD637实现有效值检波，为进一步提高测量准确度，可利用外部调整元件来减小有源整流器的非线性误差。平均电容用来设定平均时间常数，并决定低频准确度、输出波纹的大小和稳定时间。AD637的输出需通过AD8505进行AD转换传给单片机计算峰值。具体电路见图6。

图5 频率特性曲线

3.4 相位测量模块

前级采用高速放大器OPA690对信号进行饱和放大，后级采用高速比较器TL3016构成带有微小正反馈的滞回比较电路，以便输出稳定的方波。再将方波接入FPGA处理，进行相位测量。由于在中心频率附近信号衰减很大，因此放大倍数要足够大，才能通过后级的比较门限正确输出方波。为了测量双T网络的输出信号相比于输入信号的相位变化，需要两路完全一样的放大整形电路。具体电路如图7。

4 系统软件设计

系统软件采用模块化设计，以FPGA和单片机为控制核心，有主程序、扫频DDS生成模块、幅值测量模块、相位测量模块、键盘以及显示模块等。

软件设计的基本思路是：用FPGA驱动DDS产生一路正弦扫描信号，并且可以通过键盘手动控制步进，通过计算AD输入的有效值计算出幅值，同时将相位测量模块输出的方波进行比较，计算出相差，即可画出信号的频率特性曲线，并在LCD屏上打点显示。系统软件流程图见图8。

5 结 语

本系统制作的幅频特性测试仪基本实现了幅频特性和相频特性能的准确测量与显示。频率范围为100～100 kHz，测量精度1% 。在全频范围和特定频率范围内可自动步进测量(时间5 s)，可手动预置测量范围及步进频率值，最小步进10 Hz，效果良好。DDS频率稳定度为10-4；LCD频率显示5位，电压显示3位。

其中测量误差主要和AD、DA的精度，直流电源的纹波以及系统的稳定性有关。系统设计过程中，要注意整体架构，芯片的选择要考虑全面，例如速度、噪声、摆率、供电电压等。在电路设计焊接时注意布线布局，尽量系统的噪声，提高测量精度[16-17]。还要注意自制电源的质量，尽量减小纹波噪声等，减小对系统性能的影响。

图8 系统软件流程图

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A Tester for Frequency Response Characteristic Based on FPGA and MSP430

CHENXiao-qiaoa,LIXi-xia,LIZheb,LIZhuoa

(a. College of Electronic Information; b. School of Physics, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

This system is based on FPGA and MSP430F6638, which contains the signal generator, tested network, wave-checking and the display.The signal generator is based on DDS principle,which can sweep frequency from 100 Hz to 150 kHz.The smallest step is 10 Hz, the stability is higher than 10-4, and the measuring accuracy is 1%. Meanwhile, the author designed RC Twin-T network with a 5 kHz center frequency and bandwidth ±50 Hz. In the wave-checking part, we got the valid value of the output by AD637, and then the SCM calculate the peak. After the output signal is amplified and shaped, then put it in FPGA, and compared two square waves to obtain their difference. And the amplitude-frequency characteristic curve and phase-frequency characteristic curve could be drawn. We can set the step of frequency,change the interface between amplitude-frequency characteristic curve and phase-frequency characteristic curve, as well as other parameters to display through the keyboard. The entire system combined from a single chip and FPGA is stable, accurate and flexible.

DDS; phase-frequency characteristic; amplitude-frequency characteristic; swept signal; twin-T network

2015-03-01

武汉大学教改项目(610400022)

陈小桥(1960- )，男，湖北武汉人，硕士，教授级高级工程师，实验中心主任，国家教育部实验室建设指导委员会成员，长期从事检测技术及仪器研究工作。

Tel.:13507160188; E-mail:cxq@whu.edu.cn

TM 935.23

A

1006-7167(2015)08-0068-05