CN203772956U

CN203772956U - 一种基于正交调制原理的频率特性测试仪

Info

Publication number: CN203772956U
Application number: CN201320771567.XU
Authority: CN
Inventors: 刘恒; 宋安; 尤天羽; 王文兵
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2024-05-21

Abstract

本实用新型基于正交调制原理的频率特性测试仪，包括单片机、扫描信号发生器、自动增益放大模块、待测网络、模拟乘法器、低通滤波模块和显示模块；所述单片机和扫描信号发生器相连；扫描信号发生器与自动增益放大模块相连，自动增益放大模块分别和待测网络以及模拟乘法器相连，待测网络和模拟乘法器均与低通滤波模块相连，低通滤波模块、单片机和显示模块依次相连。本实用新型频率特性测试仪，采用单片机作为微控制中心，以直接数字频率合成芯片AD9854作为扫频信号发生器，基于正交调制原理对数据进行处理得到待测网络的阻抗和相位信息，并通过TFT显示器显示，结构简单，成本较低，能够准确的测量出网络的阻抗和相位信息，实用性强。

Description

一种基于正交调制原理的频率特性测试仪

技术领域

本实用新型涉及一种频率特性测试仪，具体涉及一种基于正交调制原理的频率特性测试仪。

背景技术

频率特性测试仪，简称扫频仪，它为待测网络的调整，校准及故障的排除提供了极大的方便。传统的模拟扫频仪一般由扫描锯齿波发生器、扫频信号发生器、宽带放大器、频标信号发生器、X轴放大、Y轴放大、显示设备、面板键盘以及多路输出电源等部分组成，结构复杂，体积庞大，价格昂贵，且硬件电路易受环节影响。而现有的单纯的数字式频率特性测试仪使用鉴相方式可以得到准确的相位差，但由于外部时钟固定在不同频率下测量，测量精度不一致，而为了提供较为准确的测量需要提供较高频率的信号，导致成本过高。

发明内容

本实用新型提供一种基于正交调制原理的频率特性测试仪，采用单片机作为微控制中心，以直接数字频率合成芯片AD9854作为扫频信号发生器，基于正交调制原理对数据进行处理得到待测网络的阻抗和相位信息，并通过TFT显示器显示，结构简单，成本较低，能够准确的测量出网络的阻抗和相位信息，实用性强。

本实用新型技术方案如下：

一种基于正交调制原理的频率特性测试仪，其特征在于，包括单片机、扫描信号发生器、自动增益放大模块、待测网络、模拟乘法器、低通滤波模块和显示模块；所述单片机和扫描信号发生器相连；所述扫描信号发生器与自动增益放大模块相连，自动增益放大模块分别和待测网络以及模拟乘法器相连，待测网络和模拟乘法器均与低通滤波模块相连，低通滤波模块、单片机和显示模块依次相连。

所述单片机采用MSP430F149单片机。

所述扫描信号发生器采用直接数字频率合成芯片AD9854。

所述模拟乘法器采用AD835芯片。

所述显示模块采用TFT显示器。

本实用新型的有益效果：

本实用新型基于正交调制原理的频率特性测试仪，采用单片机作为微控制中心，以直接数字频率合成芯片AD9854作为扫频信号发生器，基于正交调制原理对数据进行处理得到待测网络的阻抗和相位信息，并通过TFT显示器显示，本实用新型结构简单，成本较低，能够准确的测量出网络的阻抗和相位信息，实用性强。

附图说明

图1为本实用新型的原理框图。

图2为本实用新型信号源电路图。

图3为本实用新型自动增益和混频电路图。

图4为本实用新型低通滤波和放大电路图。

图5为本实用新型TFT显示器电路图。

图6为本实用新型单片机电路图。

图7为本实用新型的工作原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型基于正交调制原理的频率特性测试仪，包括单片机、扫描信号发生器、自动增益放大模块、待测网络、模拟乘法器、低通滤波模块和显示模块；所述单片机和扫描信号发生器相连；所述扫描信号发生器与自动增益放大模块相连，自动增益放大模块分别和待测网络以及模拟乘法器相连，待测网络和模拟乘法器均与低通滤波模块相连，低通滤波模块、单片机和显示模块依次相连。

如图2，具体地显示了正交信号源电路，其中包括了直接数字频率合成芯片AD9854ASQ以及外部的信号预处理电路。AD9854ASQ芯片的CS、SCLK、SDIO、IO_REST、RESET、UDCLK、OSC_EN管脚分别与单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.6、P2.7相连，利用单片机控制AD9854ASQ的IOUT1和IOUT2管脚产生正交信号，同时两者均接对地50Ω电阻，即R1和R4；而两路反向输出端IOUT1B与IOUT2B直接接25Ω电阻到地，即R2和R3。根据AD9854ASQ的官方数据手册，使用7阶无源低通滤波电路，对I通道来说其中C1到C7分别为2.2pF、12pF、8.2pF、27pF、47pF、39pF、22pF，L1到L3分别为82nH、68nH、68nH，对Q通道来说与I通道对应一致，即C8到C14分别与C1到C7相等，L4到L6分别于L1到L3相等。经过LC低通滤波的预处理后，节点I_O和Q_O作为系统的正交信号源输出。

如图3，显示了自动增益放大模块电路和乘法器电路，对于其中AD603_I将FDBK反馈管脚与VOUT输出管脚直接相连，采用90MHz带宽的范围进行信号放大，以实现自动增益控制(AGC)环节，提高信号平坦度，其余管脚中，GPOS、GNEG和COMM同时接地，在输入端接110Ω电阻到地，即图中R5，输出端VOUT也对地接1kΩ电阻，即图中R6，对于Q路芯片AD603_Q接法与I路一致，R12对应R5，R13对应R6；乘法器AD835_I的输入包括X1和Y1，其中Y1来自于经过自动增益控制环节的信号，X1来自于经过被测网络的信号，两者相乘得到高频信号的输出，也即W管脚为输出，Y2与X2管脚同时接地，Z管脚接100Ω电阻到地。为保证阻抗匹配，图中R7和R8为50Ω匹配电阻。对于Q路的AD835_Q与I路一致，其R14、R15、R16对应于I路的R7、R8、R9。R10作为系统的输出电阻，R11作为输入电阻，均为50Ω。

如图4，显示了二阶低通滤波模块电路的具体连接。I和Q路中，每一路信号经过两个运算放大器，如I路信号经过OP07CP_I1和OP07CP_I2，前者主要用于低通滤波，滤除由上述乘法器产生信号中的高频部分得到直流部分，后者主要用于放大直流信号以使得直流信号满足后级ADC的输入范围，同时也可以提供测量的精度。低通滤波采用经典二阶压控滤波器（Sallen-Key）接法，二阶滤波的参数为：R19：1.19kΩ、R20：21.3kΩ、C15：1nF、C16：10nF，同相输入端作为二阶滤波的输入，反相输入端对地接10kΩ，并与输出端之间接10kΩ以保证信号平坦度，即图中的R17和R18；直流放大电路使用同相放大，反相输入端接1kΩ到地，即R21，同时与输出之间接电位器R22，可使用电位器R22进行调节放大倍数。对于Q路信号与I路一致，各对应参数值均相等。

如图5和图6所示，单片机MSP430F149内部自带8路12位AD转换器，从图4电路输出的两路直流电压信号I路输出、Q路输出依次与MSP430F149的P6.0、P6.1相连，单片机完成AD转换后将输出输出到TFT屏上显示。MSP430F149的P3.0、P3.1、P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7依次与屏上的数据命令引脚DB0、DB1、DB2、DB3、DB4、DB5、DB6、DB7相连，MSP430F149的P5.0、P5.1、P5.2、P5.3、P5.4、P5.5、P5.6、P5.7依次与屏上的数据命令引脚DB8、DB9、DB10、DB11、DB12、DB13、DB14、DB15相连，MSP430F149与TFT屏采用16位通讯模式。另外，TFT屏的控制引脚REST与MSP430F149的引脚P4.7相连，控制屏的复位；TFT屏的控制引脚LCD_CS与MSP430F149的引脚P4.6相连，控制屏的片选工作；TFT屏的控制引脚WR与MSP430F149的引脚P4.5相连，控制单片机对屏的读或写工作；TFT屏的控制引脚RS与MSP430F149的引脚P4.4相连，控制单片机对屏的操作是指令还是数据；TFT屏的控制引脚RD与MSP430F149的引脚P4.0相连，单片机读取屏的状态，判断屏是否准备就绪。此外，单片机MSP430F149的引脚P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6、P2.7分别依次与AD9854的引脚CS、SCLK、SDIO、IO_REST、RESET、UDCLK、OSC_EN，完成对芯片AD9854的控制。TFT屏和单片机MSP430F149的电源未给出。

单片机采用MSP430F149单片机，该单片机拥有超低功耗。模拟乘法器采用AD835芯片。显示模块采用TFT显示器。

扫描信号发生器采用直接数字频率合成芯片AD9854。AD9854数字合成器是高集成度的器件，它采用先进的DDS技术，片内整合了两路高速、高性能正交D/A转换器通过数字化编程可以输出I、Q两路合成信号。在高稳定度时钟的驱动下，AD9854将产生一高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦和余弦信号，作为本振用于通信，雷达等方面。AD9854的DDS核具有48位的频率分辨率（在300M系统时钟下，频率分辨率可达1uHZ）。输出17位相位截断保证了良好的无杂散动态范围指标。AD9854允许输出的信号频率高达150MHZ，而数字调制输出频率可达100MHZ。通过内部高速比较器正弦波转换为方波输出，可用作方便的时钟发生器。

AD603是一款低噪声、电压控制型放大器，用于射频(RF)和中频(IF)自动增益控制(AGC)系统。它提供精确的引脚可选增益，90 MHz带宽时增益范围为-11 dB至+31 dB，9 MHz带宽时增益范围为+9 dB至+51 dB。用一个外部电阻便可获得任何中间增益范围。折合到输入的噪声谱密度仅为1.3 nV/√Hz，采用推荐的±5 V电源时功耗为125mW。

本实用新型工作过程如下：

如图7所示，本实用新型采用低功耗单片机MSP430F149作为主体控制中心，控制直接数字频率合成（DDS）芯片AD9854ASQ产生一对正交信号。AD9854ASQ产生的一路信号源I通过自动增益放大模块电路I1后，一路接入被测网络，一路直接接入到模拟乘法器AD835，即电路I2，并与被测网络的输出信号进行相乘，所得信号再经过I3低通滤波电路得到需要的直流信号，最后进入单片机内部12位ADC进行采集与运算；类似于I路信号，信号源Q先通过自动增益放大Q1，再进入乘法器电路Q2，与被测网络的输出信号相乘，再通过Q3低通滤波，最后进入到单片机内部ADC。提取I、Q所得信号中的幅度与相位信息，从而计算出被测网络的频率特性参数，采用TFT显示器显示幅频特性和相频特性曲线。

本实用新型频率特性测试仪，采用单片机作为微控制中心，以直接数字频率合成芯片AD9854作为扫频信号发生器，基于正交调制原理对数据进行处理得到待测网络的阻抗和相位信息，并通过TFT显示器显示，本实用新型结构简单，成本较低，能够准确的测量出网络的阻抗和相位信息，实用性强。

Claims

1.一种基于正交调制原理的频率特性测试仪，其特征是：包括单片机、扫描信号发生器、自动增益放大模块、待测网络、模拟乘法器、低通滤波模块和显示模块；所述单片机和扫描信号发生器相连；所述扫描信号发生器与自动增益放大模块相连，自动增益放大模块分别和待测网络以及模拟乘法器相连，待测网络和模拟乘法器均与低通滤波模块相连，低通滤波模块、单片机和显示模块依次相连。

2.根据权利要求1所述的基于正交调制原理的频率特性测试仪，其特征是：所述扫描信号发生器采用直接数字频率合成芯片AD9854。

3.根据权利要求1所述的基于正交调制原理的频率特性测试仪，其特征是：所述模拟乘法器采用AD835芯片。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于正交调制原理的频率特性测试仪，其特征是：所述显示模块采用TFT显示器。