基于DDS模块的简易数字频率特性测试仪设计

孙 锐，朱 军，丁大为

（安徽大学电子信息工程学院，合肥　230601）

基于DDS模块的简易数字频率特性测试仪设计

孙 锐，朱 军，丁大为

（安徽大学电子信息工程学院，合肥230601）

本文基于DDS技术设计了一套简易数字频率特性测试仪。本系统由DDS模块、单片机、液晶显示屏、键盘、模数转换电路和信号调理电路组成。单片机控制DDS模块产生特定频率的正弦信号，经信号调理电路缓冲、放大后送入被测网络，再经采样保持电路调理后送入ADC采样，最终经单片机处理数据后在液晶屏上显示特性曲线并给出特征信息。经实物测试，本系统设计有人机交互友好、频率测试范围广、硬件易实现等特点，具有较高的应用价值。

DDS；频率特性；采样保持；宽带放大器

0　引 言

在电子测量领域中，频率特性测试仪是非常重要的组成部分，可以直观描述系统的频率响应特性，从而对系统性能的优化提供实验数据支持［1］。其中，测试信号发生器的设计成为决定整体系统性能的关键。DDS（Direct Digital Synthesizer，直接数字合成器）技术，可以在保证较高的频率分辨率和连续相位的情况下实现快速的频率变换［2］，因此，DDS在现代函数信号发生器设计中应用极为广泛［3］。基于此，结合ADC与主控电路，本文设计了一款简易频率特性测试仪，其具有测量范围宽、频率精度高、响应速度快等优势，且人机交互友好，在行业应用中具有一定的实际意义和参考价值。

1　系统测量方案

系统架构主要由DDS函数信号发生器电路、采样电路和显示电路组成。系统整体组成架构如图1所示。单片机向DDS模块发送频率控制字后，DDS产生特定频率的正弦信号，经放大、缓冲处理后送入被测网络。在相应的输出端通过采样电路测得其幅值。最后经由单片机进行数据处理后，驱动12864液晶显示测量结果，并给出特征点信息。

图1　系统设计框图Fig.1 Block diagram of system design

2　测试电路及软件设计

2.1 DDS信号源电路设计

对于正弦信号发生器，经基准时钟抽样后，结果输出可以用下式描述：

其中，Sout为输出信号，fout为对应频率，θ为相位，BΔθ为每个周期的相位增量。

由此，只要对相位的量化值进行简单的累加运算，就可以得到正弦信号的当前相位值。DDS技术正是基于此原理而形成的。

在本次研究设计中，DDS芯片采用由美国ADI公司出品的AD9850［4］。该款标准主要由可编程DDS系统、高性能数模变换器（DAC）和高速比较器构成，能实现全数字编程控制的频率合成。最高时钟可达125 MHz，输出频率分辨率最低可达0.029 1Hz。完全可满足本系统设计需求。由于DDS输出信号驱动能力较弱，且极易受到负载变化的影响，故在后级应加入缓冲放大电路以增强其驱动能力［5］，从而达到适配不同负载的能力。放大电路如图2所示。

图2　缓冲放大电路设计Fig.2 Circuit design of buffer&lifier

图中放大器采用TI出品的电流反馈型运算放大器，实际带宽已高达450 MHz，可以轻松满足后级放大需求。并且，C5 -C8为电源滤波电容，滤除经由电源引入的噪声信号。R2和R5则为阻抗匹配电阻。

2.2采样电路设计

由于被采样信号为高频交流信号，若直接提高ADC芯片的采样率并非最佳策略，而且具有较高采样率的ADC芯片其采样精度往往较低。考虑到本设计采用点频法测量，频率的变化是离散的，切换之间存在一定时间间隔。对此，可在ADC前添加采样保持电路，将交流信号转化为相同峰值的直流信号［6］。这将极大地降低对ADC采样率的需求，同时也提高了精度。采样保持电路如图3所示。其中C1和R3分别为充电电容和放电电阻，实际电路设计中可以根据频率测量范围微调其参数。比较器的同相输入端接输入信号，反相输入端接输出信号，通过比较输入输出电压使得电容上的电压与输入信号的峰值保持一致，从而将交流信号转化为相同幅值的直流信号［7］。

ADC芯片采用具有16位分辨率的ADS1115。此芯片内部集成电压基准、振荡器和可编程增益放大器。其中PGA（程控放大器）可以提供从电源电压直至±256 mV的输入范围，因而在测量大信号和微弱信号时均能保证高分辨率。如此之高的集成度将大大减少软件的设计难度，同时展现硬件高集成度的性能优势。

图3　采样保持电路设计Fig.3 Circuit design of sample holding

2.3单片机软件设计

主控芯片采用AT89S52，其中的12 MHz的主频完全可以满足本系统要求，配合12864液晶作为显示模块，采用键盘作为输入设备，通过显示菜单进行测量功能的选择［8］。软件流程图如图4所示。

图4　单片机软件流程图Fig.4 Flow chart of MCU software

3　结束语

基于DDS技术的函数信号发生器能在频率快速切换的同时保持较高的频率分辨率。通过单片机控制DDS模块产生特定的正弦信号，送入被测网络后经ADC采样获取其频率响应曲线。本文针对便携式的简易频率特性测试仪提出了一种解决方案，具有一定的实用价值和应用前景。

［1］刘艳云，朱雷.基于MSP430单片机和DDS技术的频率特性测试仪的设计［J］.电子器件，2011，34（5）：521-524.

［2］吴银标，谢华，付在明.基于AD9854的DDS+PLL的时钟源设计［J］.电子测量技术，2011，34（8）：60-62.

［3］范照盛，崔竹，胡志慧.一种基于DDS的宽带频率合成器设计［J］.国外电子测量技术，2011，30（1）：32-34，42.

［4］牛耕，陈思宇，于继翔.基于DDS技术的正弦交流信号源的设计［J］.现代电子技术，2012，35（3）：52-56.

［5］樊玉兰.高频小信号谐振放大电路时域与频域对比分析［J］.电子技术，2011（7）：24-25.

［6］赵岩，敬守钊.高速采样保持电路设计［J］.电子质量，2011（9）：4-6.

［7］吕富勇，周瑞卿，阮世阳，等.高频磁场检测中采样保持器的设计及其性能分析［J］.电子测量技术，2015，38（8）：13-16.

［8］吕念芝，张天柱.基于DDS的数字式频率特性测试仪的软件设计［J］.菏泽学院学报，2015，37（2）：24-28.

Design of simple digital frequency characteristic analyzer based on DDS module

SUN Rui，ZHU Jun，DING Dawei
（School of Electronic Information Engineering，Anhui University，Hefei 230601，China）

This paper designs a simple digital frequency characteristic analyzer based on DDS technology.The system consists of DDS module，MCU，LCD display，keyboard，ADC and signal conditioning circuit.The DDS module is controlled by MCU to generate sinusoidal signal of specific frequency.After buffering and amplifying by the signal conditioning circuit，the sinusoidal wave is sent to the network for test.Then，the ADC samples the signal processed by the sample holder.Finally，after data processing，the characteristic information is displayed on LCD display.The experimental results have demonstrated the effectiveness of the system design，and it has the advantages of friendly human-computer interaction，wide-range of frequency test，simple hardware structure，and has high application value.

DDS；frequency characteristic；sample holding；wide-band amplifier

TP391

A

2095-2163（2016）03-0117-02

2016-05-17

安徽大学大学生科研训练计划项目（J18520170）；安徽省教育厅质量工程项目（2013zjjh003）；安徽省校企合作实践教育基地建设项目（2014sjjd007）。

孙 锐（1995-），男，本科生，主要研究方向：嵌入式开发、通信与电子技术；朱 军（1968-），女，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：信号与信息处理、通信与电子技术；丁大为（1977-），男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：信号与信息处理、通信与电子技术。