基于AD9854与STM32设计的频率特性测试仪
随着现代电子技术的飞速发展，频率特性测试仪作为现代电子测量领域的一种重要工具，其设计理念也在不断地革新。频率特性测试仪是一种测试网络或者电路的频率特性的仪器，又称扫频仪;可以用来测量信号传输网络、信号放大电路及滤波电路等双端口网络的幅频特性与相频特性。由于在传统的扫频仪设计方法中，被测网络幅频特性与相频特性的获取，需要通过不同的电路模块分别进行峰值检测与相位差测量，导致其系统由多个模块构成，电路复杂且体积较大。因此本文设计了一种新的频率特性测试仪，其采用直接频率合成（dds）芯片ad9854产生正交扫频信号，并以低功耗单片机stm32作为任务控制与数据处理的核心部件。
1.总体方案
该频率特性测试仪的设计基于零中频正交解调原理，系统的总体结构如图1所示。
图1 系统总体结构
设计采用dds集成芯片ad9854产生正交扫频信号，该芯片内部整合了两路高速、高性能正交d/a转换器，通过数字化编程即可输出i、q两路合成信号。将这两路信号分别通过七阶椭圆低通滤波器lbp1进行整形，然后通过放大隔直电路，获得幅度满足要求的正交信号，再对被测双端口网络进行基于正交解调原理的扫频测量。
设通过放大隔直电路后，该正交信号的同相分量u1=a1cosωt，正交分量uq=a1sinωt。设被测网络的电压转移函数（），那么同相分量u1通过被测网络后获得的稳态响应电压：
假设模拟乘法器增益系数为k，则经过模拟乘法器后，同相分量支路的输出为：
正交分量支路的输出为：
经低通滤波器lbp2，滤掉各支路信号中的和频分量，假设低通滤波器的通带内增益为b，则滤波后同相分量与正交分量分别为：
i、q两路信号经adc采样后，在stm32中进行数据处理，通过计算可得相移与电压增益分别为：
设计中使乘法器增益系数、正交信号振幅的平方a1²与低通滤波lbp2通带内增益三者之积为2，可以很方便地计算出av。针对点频输入信号，利用式（5）、（6）可以获得该频率信号通过被测网络的电压增益和相移，而针对扫频输入信号，则可以获得被测网络的幅频特性和相频特性曲线。
图1中加法电路的作用是进行电平调整，为后续的adc数据采集提供合适的信号电压，本设计采用stm32片内adc进行模/数转换，其电压测量范围为0.0～3.3v。i、q两支路信号通过模拟乘法器和低通滤波后，获得信号电压的范围为﹣1.0～+1.0v，因此需经加法电路抬高其电平，使其满足采样要求。ad转换后，应用stm32对数据进行处理，并通过lcd显示幅频和相频特性。
2.硬件电路
2.1正交扫频信号产生电路
采用数字频率合成芯片ad9854产生扫频信号，该芯片在高稳定度时钟的驱动下，可产生频率、相位、幅度可编程的正、余弦信号，其允许输出的信号频率高达150mhz。笔者对ad9854外围电路的设计如图2所示。ad9854的参考时钟引脚69连接30mhz有源晶振，通过程序设置片内锁相环，对其进行10倍频，可获得300mhz的系统时钟。
图2 正交扫频信号产生电路
ad9854芯片内部带有两个高速的正交dac，可同时输出i、q两路正交信号，两dac输出通过相位补偿互相影响，保持90°的相位差。ad9854的i、q两路dac满量程输出电流的幅度由第56引脚连接的电阻rset控制，rset的阻值计算公式如下：
其中，iout为dac满量程输出电流的振幅，该参数需合理设置，以使正交dac获得最佳的窄带无杂散动态范围。本设计中rset电阻取3.9kω，则iout为10ma。图2中，i、q两路连接输出电阻r5、r6均为50ω，则dds输出最大电压幅值为500mv。
i、q两路dac的正交信号输出端iout1、iout2需接低通滤波器，笔者设计了七阶椭圆低通滤波器，该滤波器过渡带下降迅速，其截止频率为100mhz，通带波纹则为0.05db，阻带最小衰减为50db。该椭圆滤波器主要用于平滑信号，同时滤除高频干扰和dds谐波杂散信号。
2.2stm32与ad9854接口电路
采用低功耗单片机stm32f103作为任务控制核心，其与ad9854的接口电路如图3所示。stm32f103是一款基于arm cortextm-m3内核的32位标准risc处理器，具有32位硬件除法器和单周期乘法器，具有强大的数据处理和运算能力，满足本设计中关于数据处理部分的要求。且其i/o端口丰富，还具有3个12位的adc，便于数据采集。同时该芯片采用3.3v单电源供电，可直接对ad9854的引脚进行读/写操作，无需额外的电平转换电路，简化了硬件设计。
图3 stm32与ad9854的硬件连接
stm32f103与ad9854之间采用并行通信方式，ad9854的八位双向并行编程数据输入端口d［7：0］与stm32f103的pc口低8位相接，ad9854的六位并行地址总线输入引脚a［5：0］与stm32f103的pc［13：8］相接。ad9854内部设有40个8位寄存器，地址范围为00h～27h，用于存储控制字与状态字。通过向这些内部寄存器写人数据，可以实现对ad9854的工作控制，包括工作模式、输出信号频率、相位及幅度等。ad9854的控制字可通过stm32设定寄存器地址a［5：0］和数值d［7：0］，在wr信号的下降沿和上升沿写入。
2.3模拟乘法器电路
乘法电路设计采用高速模拟乘法器ad835，它是一款完备的四象限电压输出模拟乘法器，3db带宽达到250mhz，且乘积噪声低，其外围电路设计如图4所示。ad835的输入电压范围为﹣1.0～+1.0v，具有两个差分输入端，分别为x1、x2和y1、y2，设计中将差分输入的一端接地，另一端接乘法信号。该芯片将x、y两个输入信号相乘后与z引脚输入电压相加，再经放大电路，由w引脚输出。为保证ad835乘法器的乘性系数k=1，r1、r2的接法如图4所示。调整r2，使r1/r2=20，此时乘法器的输出w=xy+z，将z端接地，只进行乘法运算，则最终输出w=xy。设计中为了保证输入ad835的信号x、y满足幅值要求并且不包含直流分量，在低通滤波器lbp1后，增加一级由超高速运放ad8009构成的同相比例放大器，并采用隔直电容去除信号中的直流分量。
图4 模拟乘法器外围电路
2.4二阶有源低通滤波器
低通滤波器lbp2采用二阶有源低通滤波器，该滤波器的作用是滤掉正交调制过程中产生的频率为2ω的信号分量。设扫频时间为ts，共扫描n个频点，则扫描每个频点的时间为ts/n，选取4倍时间常数，低通滤波器的截止频率fo=4n/ts，本设计中扫频时间ts取2s，频点数最大取500，计算得fc为1khz。为保证余量，设计中选取截止频率fc=2khz。笔者采用精密运算放大器0p27设计二阶butterworth低通滤波器，电路的拓扑结构采用sallen-key结构，且电压增益为2。
3.软件部分
系统的软件部分主要包括系统主程序、键盘扫描子程序、ad9854控制子程序、模/数转换子程序及液晶显示子程序等。主程序首先进行系统初始化，配置stm32的gpio端口，初始化lcd、ad9854和片内adc，然后等待按键输入，进行测量模式选择。模/数转换子程序对片内adc进行配置，并实现点频、扫频测量数据采集存储和多次采样确认。液晶显示子程序完成幅频、相频特性的显示、清屏及字符显示等功能。ad9854控制子程序完成dds芯片工作模式选择、正交扫频信号频率设置及扫频信号振幅设置等功能。软件主程序流程如图5所示。
图5 主程序流程
限于篇幅，只列出关于ad9854工作模式设置和正交信号幅度、频率设置的部分程序代码：
//设置ad9854工作模式选择为single—tone，对参考时钟进行10倍频，由pin20引脚外部刷新频率
unsigned cha rmodel［4］={0x00，0x4a，0x00，0x60};
//默认初始频率1mhz，频率字fw根据公式fout=（fsysclk×fw）/2n计算得出
unsigned char freq［6］={0x00，0xda，0x74，0x0d，0xa7，0x41};//信号频率控制字
unsigned char signalam1［2］={0xff，0xff};//信号幅度控制字
unsigned char signalam2［2］={0xff，0xff};//信号幅度控制字
ad9854一reset（）;
ad9854一setspecialword（mode1）;//设置ad9854的工作模式
ad9854一setoutkeyi（signalam1）;//设置1支路信号振幅
ad9854一setoutkeyq（signalam2）;//设置q支路信号振幅
ad9854一setfreql（freq）;//设置正交信号频率
ad9854一ioupdate（）;//频率刷新
其中调用的部分子程序如下：
结束语
本文总结了采用ad9854与stm32设计的频率特性测试仪，该测试仪可以进行点频测量和1～50mhz的扫频测量，可以手动预置测频范围和步进频率，并在320×240彩色液晶屏上显示幅频特性和相频特性曲线。系统界面友好，工作稳定。本设计基本实现了数字化，并满足低功耗的要求。由于扫频测量法是一种稳态测量方法，它需要等到被测网络输出达到稳态后才能测量。因此本设计中并没有设置太快的扫频测量速度，并且在stm32发送频率控制字与获取adc采样转换值之间进行了适当的延时。否则如果被测网络响应建立时间长，而扫频测量速度太快，会形成建立误差，使测得的特性曲线畸变失真。
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1.总体方案
该频率特性测试仪的设计基于零中频正交解调原理，系统的总体结构如图1所示。
图1 系统总体结构
设计采用dds集成芯片ad9854产生正交扫频信号，该芯片内部整合了两路高速、高性能正交d/a转换器，通过数字化编程即可输出i、q两路合成信号。将这两路信号分别通过七阶椭圆低通滤波器lbp1进行整形，然后通过放大隔直电路，获得幅度满足要求的正交信号，再对被测双端口网络进行基于正交解调原理的扫频测量。
设通过放大隔直电路后，该正交信号的同相分量u1=a1cosωt，正交分量uq=a1sinωt。设被测网络的电压转移函数（），那么同相分量u1通过被测网络后获得的稳态响应电压：
假设模拟乘法器增益系数为k，则经过模拟乘法器后，同相分量支路的输出为：
正交分量支路的输出为：
经低通滤波器lbp2，滤掉各支路信号中的和频分量，假设低通滤波器的通带内增益为b，则滤波后同相分量与正交分量分别为：
i、q两路信号经adc采样后，在stm32中进行数据处理，通过计算可得相移与电压增益分别为：
设计中使乘法器增益系数、正交信号振幅的平方a1²与低通滤波lbp2通带内增益三者之积为2，可以很方便地计算出av。针对点频输入信号，利用式（5）、（6）可以获得该频率信号通过被测网络的电压增益和相移，而针对扫频输入信号，则可以获得被测网络的幅频特性和相频特性曲线。
图1中加法电路的作用是进行电平调整，为后续的adc数据采集提供合适的信号电压，本设计采用stm32片内adc进行模/数转换，其电压测量范围为0.0～3.3v。i、q两支路信号通过模拟乘法器和低通滤波后，获得信号电压的范围为﹣1.0～+1.0v，因此需经加法电路抬高其电平，使其满足采样要求。ad转换后，应用stm32对数据进行处理，并通过lcd显示幅频和相频特性。
2.硬件电路
2.1正交扫频信号产生电路
采用数字频率合成芯片ad9854产生扫频信号，该芯片在高稳定度时钟的驱动下，可产生频率、相位、幅度可编程的正、余弦信号，其允许输出的信号频率高达150mhz。笔者对ad9854外围电路的设计如图2所示。ad9854的参考时钟引脚69连接30mhz有源晶振，通过程序设置片内锁相环，对其进行10倍频，可获得300mhz的系统时钟。
图2 正交扫频信号产生电路
ad9854芯片内部带有两个高速的正交dac，可同时输出i、q两路正交信号，两dac输出通过相位补偿互相影响，保持90°的相位差。ad9854的i、q两路dac满量程输出电流的幅度由第56引脚连接的电阻rset控制，rset的阻值计算公式如下：
其中，iout为dac满量程输出电流的振幅，该参数需合理设置，以使正交dac获得最佳的窄带无杂散动态范围。本设计中rset电阻取3.9kω，则iout为10ma。图2中，i、q两路连接输出电阻r5、r6均为50ω，则dds输出最大电压幅值为500mv。
i、q两路dac的正交信号输出端iout1、iout2需接低通滤波器，笔者设计了七阶椭圆低通滤波器，该滤波器过渡带下降迅速，其截止频率为100mhz，通带波纹则为0.05db，阻带最小衰减为50db。该椭圆滤波器主要用于平滑信号，同时滤除高频干扰和dds谐波杂散信号。
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图4 模拟乘法器外围电路
2.4二阶有源低通滤波器
低通滤波器lbp2采用二阶有源低通滤波器，该滤波器的作用是滤掉正交调制过程中产生的频率为2ω的信号分量。设扫频时间为ts，共扫描n个频点，则扫描每个频点的时间为ts/n，选取4倍时间常数，低通滤波器的截止频率fo=4n/ts，本设计中扫频时间ts取2s，频点数最大取500，计算得fc为1khz。为保证余量，设计中选取截止频率fc=2khz。笔者采用精密运算放大器0p27设计二阶butterworth低通滤波器，电路的拓扑结构采用sallen-key结构，且电压增益为2。
3.软件部分
系统的软件部分主要包括系统主程序、键盘扫描子程序、ad9854控制子程序、模/数转换子程序及液晶显示子程序等。主程序首先进行系统初始化，配置stm32的gpio端口，初始化lcd、ad9854和片内adc，然后等待按键输入，进行测量模式选择。模/数转换子程序对片内adc进行配置，并实现点频、扫频测量数据采集存储和多次采样确认。液晶显示子程序完成幅频、相频特性的显示、清屏及字符显示等功能。ad9854控制子程序完成dds芯片工作模式选择、正交扫频信号频率设置及扫频信号振幅设置等功能。软件主程序流程如图5所示。
图5 主程序流程
限于篇幅，只列出关于ad9854工作模式设置和正交信号幅度、频率设置的部分程序代码：
//设置ad9854工作模式选择为single—tone，对参考时钟进行10倍频，由pin20引脚外部刷新频率
unsigned cha rmodel［4］={0x00，0x4a，0x00，0x60};
//默认初始频率1mhz，频率字fw根据公式fout=（fsysclk×fw）/2n计算得出
unsigned char freq［6］={0x00，0xda，0x74，0x0d，0xa7，0x41};//信号频率控制字
unsigned char signalam1［2］={0xff，0xff};//信号幅度控制字
unsigned char signalam2［2］={0xff，0xff};//信号幅度控制字
ad9854一reset（）;
ad9854一setspecialword（mode1）;//设置ad9854的工作模式
ad9854一setoutkeyi（signalam1）;//设置1支路信号振幅
ad9854一setoutkeyq（signalam2）;//设置q支路信号振幅
ad9854一setfreql（freq）;//设置正交信号频率
ad9854一ioupdate（）;//频率刷新
其中调用的部分子程序如下：
结束语
本文总结了采用ad9854与stm32设计的频率特性测试仪，该测试仪可以进行点频测量和1～50mhz的扫频测量，可以手动预置测频范围和步进频率，并在320×240彩色液晶屏上显示幅频特性和相频特性曲线。系统界面友好，工作稳定。本设计基本实现了数字化，并满足低功耗的要求。由于扫频测量法是一种稳态测量方法，它需要等到被测网络输出达到稳态后才能测量。因此本设计中并没有设置太快的扫频测量速度，并且在stm32发送频率控制字与获取adc采样转换值之间进行了适当的延时。否则如果被测网络响应建立时间长，而扫频测量速度太快，会形成建立误差，使测得的特性曲线畸变失真。
ESP32-S2设计网络/FM两用收音机
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