高精度简易频率特性测试系统设计

梁志勋，闭吕庆

（1.河池学院智能计算与模式识别重点实验室，宜州 546300；2.玉林师范学院电子与通信工程学院，玉林 537000）

0 引言

频率特性测试仪是一种专门用于测量电子装备或特定二端电路网络频率特性的仪器。不仅可以实现滤波器以及宽带放大器等无源和有源网络的参数测试，如谐振频率、带宽、衰减和增益等参数的测试，同时可以测量雷达、导航系统接收机的各级放大器以及电视机的公共通道和伴音通道视频通道的参数测试[1-3]。针对国内外的频率特性测试装备均以高频段的居多，且频率分辨通常在1Hz以上，不能满足低频电路的精确测量[4]，本系统针对低频段的二端电路网络频率特性测试，设计了一种高性价比的低频率特性测试仪，利用AD9854设计扫频信号源，频率分辨率高达0.1Hz，采用AD8367设计扫频信号的AGC电路，实现扫频频带内起伏不大于0.1dB，利用AD8302完成幅度增益和相位的检测，通过单片机STM2F104内部集成的AD对AD8302输出的电压形式的幅度增益和相位信号进行采样，完成了各个频点的幅度增益和相位信号采集，完成了对二端电路网络0MHz至100MHz范围频率响应特性的测试。

1 系统总体设计

系统整体设计如图1所示，单片机STM32F103控制AD9854产生扫频信号，由AD8367完成对该扫频信号的AGC控制，将扫频信号的幅度恒定在一定范围内。将幅度恒定的扫频信号分为两路，一路输入到被测网络中，另外一路直接输入到AD8302幅度增益、相位检测电路中。幅度、相位检测电路通过对AGC输出和被测网络输出的两路扫频信号的对数检波和相位检波器，完成幅度增益和相位检测。

图1 系统总体框图

2 关键硬件电路设计

2.1 扫频信号及AGC电路设计

AD9854是高集成度的直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer）器件，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[5-7]。其DDS内核具有48位的频率分辨率，在300MHz系统时钟条件下，频率分辨率可达1uHz。作为本地振荡信号源广泛应用于通信，雷达等要求较高的场合。本系统采用了一片AD9854芯片，通过STM32F103编程控制，完成扫频信号的信号源设计。

采用AD8367芯片为核心完成扫频信号源的AGC电路设计，当AD8367的增益大于40dB的控制范围。工作频率为200MHz时，可提供优于±0.5dB的线性误差。而在400MHz时可提供优于±ldB的线性误差。

图2 扫频信号AGC电路图

电路设计如图2所示，AD8367有GAIN UP和GAIN DOWN两种工作模式。模式选择通过芯片第五个MODE引脚的外加逻辑电平控制。当接高电平时。其增益随控制电压的增加而递增[5-6]，公式为：

当MODE接地时。增益随电压递减，公式为：

扫频信号源的AGC电路设计中应用中利用增益随电压递减的模式。而在本次设计中，采用了增益随电压递减的模式进行电路设计，将第6个引脚（检波输出）的输出接到第5个控制引脚即可实现负反馈控制。

2.2 幅度增益和相位检测电路设计

通常采用复杂的分立器件搭建来完成幅度增益和相位检测的电路设计，其测量精度往往不能满足高要求场合[8-13]，本系统采用高度集成的幅度增益和相位检测芯片AD8302，其内部包含1个宽带相位检测器、2个精密匹配的宽带对数放大器、1.8V精密基准源，以及模拟信号标定电路和标准接口电路，该芯片能精确地测量从低频至2.7GHz频率范围内两个信号之间的幅度增益和相位差，主要通过精密匹配的两个宽带对数检波器来实现对两输入通道的幅度增益和相位差测量[14-15]。

图3 幅度增益和相位检测电路图

图4 输出电压值和幅度增益、相位关系图

幅度增益和相位检测电路设计如图3所示，IN_A和 IN_B为两路检测信号的输入端子，R2、R3和C2～C6组成输入阻抗匹配电路，Vmag和Vphs分别为幅度增益和相位信号输出端子，其输出为电压值，输出电压值和幅度增益、相位之间的关系如图4所示，输出电压与增益、相位差为线性关系。图（a）为增益与输出电压之间的关系，当电压为0时，增益为-30db，当电压为1.8V时，增益为30db。图（b）为相位和输出电压之间的关系，当电压为0时，相位差为-180°，当电压为1.8V时，相位差为+180°。

3 系统控制程序设计

为了较好完成对二端电路网络的测试任务，提供友好的人机界面，本系统采用C语言在Keil MDKARM V5.0开发环境下进行系统控制程序开发。系统控制程序核心部分为扫频信号的产生和幅频、相位信号采集，具体的控制程序的设计如图5所示，系统初始化后扫描按键，若收到参数设置指令则进行参数设置，并将参数保存到EEPROM当中，并返回等待测试指令；若收到特性测试指令则读取存储器的参数，根据设置的参数产生扫频信号，利用STM32F103内部的AD对每一个频点对应幅度增益、相位信号值进行采集，当完成整个频带内的扫频任务后，对数据进行处理并显示二端电路网络的频率特性曲线。

图5 系统控制程序流程图

4 测试分析

系统完成设计后，进行实物测量，用示波器测量扫频信号的输出，输出的波形如图 6（a）和（b）所示，将示波器的扫描时间设置较慢时观察输出信号波形，发现DDS的输出频率较低时，输出幅度较高，当输出频率逐渐增大，输出幅度随频率增加而降低，图6（c）为AGC电路的幅频特性曲线，由图可知，0至200MHz频带内起伏不大于0.08dB，满足预定的设计目标。

图6 扫频信号和AGC电路特性曲线

5 结语

根据上述测试分析可知，完成了一种简易频率特性测试系统的基本设计，实现扫频频带内起伏不大于0.1dB，利用AD8302完成幅度增益和相位的检测，通过单片机STM2F104内部集成的AD对AD8302输出的电压形式的幅度增益和相位信号进行采样，完成了各个频点的幅度增益和相位信号采集，完成了对二端电路网络0MHz至100MHz范围频率响应特性的测试。该简易频率特性测试系统具有操作简捷，携带方便，体积较小，分辨率高并且频率显示范围较宽等特点。

参考文献：

[1]陈聪聪，席泽敏，张文成，闫晓萍.基于STM32的低频数字频率特性测试仪的设计[J].舰船电子工程，2016，36（12）:145-150.

[2]董宝玉，薛严冰，马驰，盛虎.基于AD9854与STM32的频率特性测试仪设计[J].化工自动化及仪表，2014，41（06）:655-659.

[3]孟瑞丽，宋安，张宏群，尤天羽，刘恒.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），2015，7（02）:137-141.

[4]杨光义，张从新，李高旭，张清怡，金伟正.基于阻抗控制的甚高频调频接收系统[J].武汉大学学报（工学版），2017，50（04）:618-623.

[5]沙芬芬，张祥坤.基于FPGA波形存储法合成大宽带DDS信号源设计与实现[J].测试技术学报，2013，27（04）:340-348.

[6]柴西林，范满红，张维昭，李锦珑.一种基于DDS的简易便携式扫频仪设计[J].自动化与仪器仪表，2014，（08）:41-43.

[7]王佳荣，崔炜，冯驰.基于DDS的高频率高精度信号发生器[J].吉林大学学报（信息科学版），2016，34（04）:501-506.

[8]孙霞，季震.简易矢量网络分析仪设计[J].仪器仪表用户，2016，23（01）:49-51.

[9]SHEN Yu-yao，WANG Yong-qing，LIU Min-li，WU Si-liang.Acquisition Algorithm Assisted by AGC Control Voltage for DSSS Signals[J].Science China（Technological Sciences），2015，58（12）:2195-2206.

[10]黄敏，鲍旭强，刘晶晶.一种精密电容测试系统设计[J].中国测试，2017，43（06）:79-82.

[11]祁雨，邢兰昌，刘昌岭，陈强，刘乐乐.基于虚拟仪器技术的阻抗分析仪设计与开发[J].电子测量技术，2017，40（06）:19-24.

[12]M.S.Sharifi Asadi Malafeh，M.Ghergherehchi，H.Afarideh，J.S.Chai，Yoon Sang Kim.Intelligent Low-level RF System by Non-Destructive Beam Monitoring Device for Cyclotrons[J].Chinese Physics C，2016，40（04）:104-111.

[13]李小亮，宋伟中，王照平，卲高平.基于正交调制的频率特性测量系统改进设计[J/OL].实验技术与管理，2017，34（05）:99-104.

[14]乐林株，汪敏，董亮.基于AD8302的甚高频天线阵电缆相位差检测[J].现代电子技术，2017，40（09）:104-107.

[15]任庆芳，宋智，薛严冰.基于AD8302的简易阻抗测量仪[J].电子测量技术，2016，39（02）:106-110.