基于DDS的频率特性测量系统的设计

沈阳，杨钦鹏，曹洪奎，祖天一

基于DDS的频率特性测量系统的设计

沈阳1，杨钦鹏2，曹洪奎2，祖天一2

（1.辽宁工业大学 理学院，辽宁 锦州 121001；2.辽宁工业大学 电子与信息工程学院，辽宁 锦州 121001）

设计了一种基于DDS技术的频率特性测量系统，系统由单片机IAP15W4K58S4控制DDS芯片AD9850产生弦扫频信号，由相位与频率的关系、幅度与频率的关系得出相频特性曲线和幅频特性曲线。测试结果表明，基于单片机技术的频率特性测量系统，实现了对被测网络的频率特性测量与显示等功能。

频率特性；DDS技术；峰值检测；相位检测

1 引言

在现代电子电路系统中，频率特性是信号放大传输电路的重要特性指标，能反映电路在不同信号频率输入下的系统响应。频率特性测试设备为放大电路的性能分析提供了极大的便利。由单片机作为主控制器，配合其他器件（如DDS芯片等）组成扫频信号源，利用数字式控制系统完成扫频功能，这种设计频率特性测量系统的方法以它的高性价比受到越来越多人的青睐。

本设计以单片机IAP15W4K58S4为控制核心，结合DDS直接数字频率合成技术，实现频率测量系统的硬件电路和系统软件设计。系统由单片机IAP15W4K58S4控制DDS芯片AD9850产生正弦扫频信号，正弦扫频信号经过缓冲放大后输入到被测网络的输入端，被测网络的输出信号再经过整形电路和由异或门74LS86构成的相位检测电路得到该输出信号的频率和相位差；同时通过由AD736构成的峰值检测电路测得输出信号的峰值，经换算得出该信号的幅度。由相位与频率的关系、幅度与频率的关系得出相频特性曲线和幅频特性曲线，并将特性曲线显示在2.8寸TFT液晶屏上，从而完成对被测网络的频率特性的测量与显示。

2 系统的总体设计

系统具体由九大部分构成：微控制器主控电路、DDS模块、缓冲放大电路、被测网络、整形电路、峰值检测电路，相位测量电路、按键模块和显示电路，系统总体设计方案结构如图1所示。

图1 频率特性测量系统结构框图

它的总体思路如下：系统以单片机IAP15W4K58S4为核心，采用单片机IAP15W4K58S4控制DDS芯片AD9850产生测试所需的正弦扫频信号源，经过缓冲放大后输入到被测网络的输入端，输出信号频率与测试信号相同，但幅度和相位发生变化。被测网络的输出响应信号经峰值检测电路再整流滤波后，送至A/D转换器进行数据采集，通过单片机对数据进行分析计算，显示信号的幅值。同时，采用两路由电压比较器构成的波形整形电路，将输入信号和被测网络输出信号整形为脉冲信号，脉冲信号经过异或门电路进行异或运算得到相位差脉冲信号，对相位差脉冲信号一个周期内的高电平定时计算得到脉宽，由脉宽与周期和角度的关系计算出相位差。由幅度与频率的计算关系以及相位与频率的计算关系得出幅频特性曲线和相频特性曲线的数学表达式，通过软件计算和控制使曲线在TFT液晶屏上显示，完成对被测网络的幅频特性和相频特性测量。

3 系统单元电路设计

3.1 微控制器最小系统

微控制器用于控制DDS芯片产生原始的正弦扫频信号源，信号源经过被测网络后，通过相位检测和峰值检测电路采集检测到发生了变化的输出正弦信号的相位与幅度数据，对这些数据通过程序进行分析计算，并根据幅度与频率的计算关系以及相位与频率的计算关系得出幅频特性曲线和相频特性曲线的数学表达式，然后通过软件计算和控制使曲线在TFT液晶屏上显示，从而完成对被测网络的幅频特性和相频特性测量。

总的来说，微控制器可控制正弦扫频信号源的输出，并对采集的数据进行分析计算处理，完成逻辑控制以及数据处理和人机交互功能，控制整个系统的协调工作，实现数据的直观显示作用，是整个系统的核心部分。系统主控芯片选择STC公司增强型51单片机IAP15W4K58S4。

3.2 正弦扫频信号源电路设计

系统中采用直接数字频率合成（DDS）技术，DDS芯片AD9850与单片机IAP15W4K58S4配合使用，实现输出频率可控的正弦扫频信号源。单片机IAP15W4K58S4与AD9850的接口采用串行方式，通过按键向AD9850发送32位频率控制字，用于改变频率值，实现扫频功能。由AD9850构成的正弦扫频信号源电路如图2所示。

图2 正弦扫频信号源电路

采用硬件电路连接实现AD9850串行方式传输数据，具体引脚接法为：AD9850的D0、D1引脚接VCC，即高电平置1；D2、D3、D4、D5、D6引脚接地，即低电平置0；D7为串行数据传输引脚用来接收单片机发送的数据，更改频 率值。

AD9850与单片机接口具体连接为：AD9850的D7、RESET、FQ_UD、W_CLK引脚分别与单片机P0.0、P0.1、P0.2、P0.3相连实现单片机对AD9850输出频率的控制。在该系统中，使用125 MHz的外部有源晶振，为了使输出信号频率能够最大程度地降低AD9850外部系统时钟晶振的干扰，将信号加到模拟系统的输入端，利用测量仪器，可得到系统的动态响应曲线及性能指标。

3.3 缓冲放大电路设计

3.4 峰值检测电路设计

本设计选用AD公司推出的真有效值直流变换器AD736。AD736可以对信号频率为500 kHz以下、幅度低于200 mV的信号进行峰值检测，输出直流信号，具有电路设计简单、检测精度和灵敏度高的特点。

3.5 相位检测电路设计

DDS产生的原始扫频信号源和经过被测网络电路后输出的正弦信号经过比较器LM393构成的正弦信号过零比较整形电路，得到两路矩形脉冲信号，再对两路矩形脉冲信号进行异或运算，得到信号的高电平时间对应角度即是相位差。相位差角度与频率的关系通过程序控制，使其对应的数学函数曲线在TFT液晶屏上显示。

4 结论

本文主要对频率特性测量系统进行了设计，对频率特性测量原理进行了说明，并完成了系统的方案设计，以及硬件电路、系统软件的设计与调试。针对硬件电路设计，本系统采用IAP15W4K58S4微控制器作为核心控制器件，用于采集各个测量模块的数据并进行分析处理，再根据数据之间的数学关系控制测量结果的输出显示。使用DDS芯片AD9850实现正弦扫频信号源的设计，为系统提供测量信号源；采用真有效值芯片AD736对被测网络电路输出信号的幅度值进行检测。还针对系统设计了相应的稳压电源，并对各个硬件模块的外围电路进行了设计及相关说明。由于单个模块电路测量时会存在一定的误差，必须使用相应的方法将各个模块电路的采集数据进行融合，才能解算出比较精确和稳定的输出数据。对于正弦扫频信号源部分，采用软件程序对频率修正，减小参考时钟晶振带来的误差；对A/D采集部分采用算术平均滤波法进行程序设计，减小随机信号的干扰。测试结果表明，本文设计的基于单片机技术的频率特性测量系统，实现了对被测网络的频率特性测量与显示等功能。系统具有操作方便、成本低廉、结果显示直观等优点。

［1］孙锐，朱军，丁大为.基于DDS模块的简易数字频率特性测试仪设计［J］.智能计算机与应用，2016（3）：117-118.

［2］孟瑞丽，宋安，张宏群，等.一种数字频率特性测试仪的设计［J］.南京信息工程大学学报（自然科学版），2015（2）：137-141.

［3］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（2）：24-28.

TM935.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.001

2095－6835（2020）08－0001－02

〔编辑：严丽琴〕