基于直接数字频率合成技术的思想，采用现代数字信号处理和显示技术，设计了一台低成本、数字化、智能化的频率特性测试仪。实现了对20hz～150mhz范围内任意频段的被测网络幅频特性和相频特性测量。完成了数据存储、-3曲带宽计算、峰值查找等功能，幅度检测精度达到1dbm，相位检测精度1°等指标。
传统扫频仪的信号源大多采用lc电路构成的振荡器，大量使用分立元器件来实现各功能，显示部分采用传统的扫描显示器。因此传统结构的扫频仪不仅结构复杂、体积庞大、价格昂贵、操作复杂，而且由于各元件分散性大，参数变化容易受外部环境变化影响，精度不高。目前，以agilent等为代表的仪器生产厂家提供了多种高性能的频率特性测试仪。但其产品主要集中在射频、微波等高频领域，中低频段的产品相对缺乏。本文基于直接数字频率合成（dds）的技术思想，采用dsp和fpga架构的现代数字信号处理技术，设计了一台低成本，高度数字化和智能化的频率特性测试仪，实现了对20hz～150mhz范围内任意频段的被测网络幅频特性和相频特性测量和显示，完成了数据存储回放和传输，-3db带宽计算，峰值查找等功能。幅度检测精度达到1dbm，相位检测精度1°的指标。
1系统组成
频率特性分析仪主要包括控制和数据存储处理单元、dds信号源单元、幅度和相位检测单元、数据采集单元、显示及交互接口单元，系统总体框图如图1所示。
2系统设计
2．1控制与数据处理单元
adsp—bf532和fpga（ep1c3）是控制与数据存储处理单元的核心。dsp通过ppi、spi和pf接口与fpga进行双向数据通信，实现键盘读取，dds扫描，a／d采集，lcd扫描等功能，通过uart单元与计算机实现数据传输和远程控制。fpga完成了tft_lcd和vga同步显示时序转换、键盘扫描、spi通信和信号分配等功能。另外，dsp通过ebiu单元连接am29lv800和mt48l32m16分别作为程序与工作状态存储器和数据存储与显示缓存。工作原理如图2所示。
2．2数据采集单元
数据采集单元采用多路a／d转换器将幅度和相位的模拟电压信号转换为数字信号供dsp和fpga进行处理和传输，是模拟电路和数字电路之间的“桥梁”。本仪器中选用ad7655采集信号。该a／d转换器具有4个模拟输入通道，16位采样精度，zui高采样率为1mhz。采用16位并行和spi等传输模式。ref3125提供a／d转换器所需的2．5v参考电压。
2．3dds信号源单元
dds技术是一种把一系列数字量形式的信号通过dac转换成模拟量形式信号的合成技术。dds技术建立在采样定理的基础上，它首先对需要产生的波形进行采样，将采样值数字化后存入存储器做为查找表，然后再通过查找表将数据读出，经过d／a转换器转换成模拟量，把存入的波形重新合成出来。虽然dds系统的结构有很多种，但其基本的电路原理，如图3所示。
本仪器选用的dds芯片ad9958是一款高性能双通道直接数字频率合成器，具有两个独立的dds核，分别具有两个独立的32位频率控制字和14位相位控制字，一个10位的幅度控制字。内部集成pll，芯片zui高工作频率500mhz，输出信号zui高频率可达180mhz。dsp通过spi和pf接口经fpga信号分配逻辑对ad9958进行频率、相位和幅度控制字的配置，如图4所示。
ad9958采用25mhz外部时钟输入，经内部pll倍频后产生500mhz内核工作时钟。输出信号为两路同频的正弦和余弦信号。为避免数字噪声对信号产生干扰，芯片的3．3v数字供电与模拟供电部分需采用型网络隔离，并对模拟地接小电阻到地平面以隔离干扰。由于芯片输出为电流信号，需采用51ω上拉到1．8v转换为电压信号，经lfcn—160集成滤波器滤除高频噪声，并采用差分运放ad8312抵消共模噪声。输出信号电平范围为-10～-3dbm。ad9958信号输出原理如图5所示。
2．4输出电平调节单元
本仪器设计的信号源输出电平范围为-87～13dbm。而前级dds信号源单元的输出信号电平范围为-10～-3dbm，因此需要对前级信号进行电平调节。该单元的信号流图如图6所示。
本单元首先通过宽带运放ths3201将前级信号电平放大到12～19dbm。然后通过可控衰减网络实现输出-87～13dbm范围内的信号。通过控制接通不同的型电阻衰减网络来实现，如图5所示。可控衰减网络由-8db、-16db、-32db和-64db这4种型电阻衰减网络组成，通过68595驱动继电器tq2组合出不同衰减倍数的衰减网络。
2．5相位检测单元
本仪器选用ad8302构建了相位差检测电路。ad8302可对0～2．7ghz，-60～0dbm范围内的两输入信号之间的幅度比和相位差进行测量，其中相位检测精度可达1°。ad8302相位检测曲线如图7所示。
由图7可知，使用单片的ad8032无法进行-180°～180°范围内的监相。为实现-180°～180°监相，仪器采用i、q正交检测方法。即dds信号源输出两路同频正交信号，该正交信号分别通过两片8302与待测信号分别进入两片ad8302监相，则可得到两条相位差为90°相位曲线，如图8所示。由此实现-180°～180°范围检测。
2．6幅度检测单元
本仪器幅度检测电路由对数放大器ad8310和滤波电容单元组成。ad8310可检测0～440mhz，-91～+4dbv范围信号的幅度值，其输出公式为
其中，vout为检波输出；vy为斜率电压；vin为输入信号电压；vx为截止电压。
ad8310的oflt和bfin引脚的电容需要根据扫频频率来实时调节。经过反复试验，采用0．01μf，0．1μf，1μf，10μf和100μf的组合可实现20hz～150mhz范围内的准确检测。
3实测结果
本测试对lpf-bor8低通滤波器进行测量。该滤波器的截止频率为1．2mhz。在仪器上电后，首先将输出电平设定为0dbm，起始频率设定为20hz，终止频率设定为1．5mhz。然后将仪器的输出和输入端短接，进行幅度和相位校正。校正后，将仪器的输出端接滤波器的输入端，将滤波器的输出端接仪器的输入端进行测量。测量结果如图9所示。从图中可以看出，该滤波器通带较为平稳，相位趋于线性，-1db转折点约为1．2mhz，与该器件数据手册给出数据相符。
4结束语
仪器实现了对20hz～150mhz范围内任意频段的被测网络幅频特性和相频特性测量、数据存储、回放、峰值查找以及-3db测量，q值查找等计算。由于大量采用大规模集成电路，不仅提高了系统的集成度，减小了体积，而目提升了仪器的性能和稳定性。实现了数字化、智能化、低成本。目前仪器已进人生产阶段。