简易频率特性测试仪(E题)要点
简易频率特性测试仪电子竞赛
简易频率特性测试仪（E题）一、系统方案本系统主要由正交扫频信号源模块（DDS）、被测网络模块、乘法器模块、低通模块、显示模块、电源模块组成，最终通过液晶显示出幅频和相频曲线。
1.1 正交扫频信号源模块的论证与选择方案一：使用FPGA编程，运用DDS原理产生系统所需波形信号源。
此法成本低廉，但其性能受晶振频率精度限制较大，外部对应处理电路较为复杂。
方案二：采用锁相环（PLL）频率合成信号源,PLL频率合成器的输出频率可以按需要步进地变化，锁定后，其输出频率可以达到与参考频率同量级的频率精度和稳定度。
但其电路连接较为复杂，频率调整麻烦。
方案三：使用集成DDS芯片AD9854模块实现扫频波形发生，操作简单，频率精度与范围都可达到较高，波形稳定度高。
综合以上三种方案，选择方案三。
1.2 控制系统的论证与选择方案一：选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。
CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。
但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。
同时，CPLD的处理速度非常快，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。
方案二：采用MSP430F249单片机作为主控制器。
MSP430F249是一个超低功耗，和其他F14x系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，内部自带ADC12模数转换模块，有6组I/O口，降低了系统软件设计的难度，电路设计简单、价格低廉。
综合以上三种方案，选择方案三。
二、系统理论分析与计算2.1 正交扫频信号源的分析正交扫频信号源主要是由AD9854芯片构成的，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。
简易频率特性测试仪 E题
简易频率特性测试仪（E题）一、任务根据零中频正交解调原理，设计并制作一个双端口网络频率特性测试仪，包括幅频特性和相频特性，其示意图如图1所示。
图1频率特性测试仪示意图二、要求1．基本要求制作一个正交扫频信号源。
（1）频率范围为1MHz~40MHz，频率稳定度≤10-4；频率可设置，最小设置单位100kHz。
（2）正交信号相位差误差的绝对值≤5º，幅度平衡误差的绝对值≤5%。
（3）信号电压的峰峰值≥1V，幅度平坦度≤5%。
（4）可扫频输出，扫频范围及频率步进值可设置，最小步进100kHz；要求连续扫频输出，一次扫频时间≤2s。
2．发挥部分（1）使用基本要求中完成的正交扫频信号源，制作频率特性测试仪。
a.输入阻抗为50Ω，输出阻抗为50Ω；b.可进行点频测量；幅频测量误差的绝对值≤0.5dB，相频测量误差的绝对值≤5º；数据显示的分辨率：电压增益0.1dB，相移0.1º。
（2）制作一个RLC串联谐振电路作为被测网络，如图2所示，其中R i和R o分别为频率特性测试仪的输入阻抗和输出阻抗；制作的频率特性测试仪可对其进行线性扫频测量。
a.要求被测网络通带中心频率为0MHz，误差的绝对值≤5%；有载品质因数为4，误差的绝对值≤5%；有载最大电压增益≥-1dB；b.扫频测量制作的被测网络，显示其中心频率和-3dB带宽，频率数据显示的分辨率为100kHz；c.扫频测量并显示幅频特性曲线和相频特性曲线，要求具有电压增益、相移和频率坐标刻度。
图2 RLC串联谐振电路（3）其他。
三、说明1．正交扫频信号源必须自制，不能使用商业化DDS开发板或模块等成品，自制电路板上需有明显的覆铜“DUT‐‐2014”字样。
2．要求制作的仪器留有正交信号输出测试端口，以及被测网络的输入、输出接入端口。
3．本题中，幅度平衡误差指正交两路信号幅度在同频点上的相对误差，定义为：U2 -U1 /U1⨯100%，其中U2≥U1。
演示文稿 频率特性测试仪
示波管的水平扫描电压，同时又用于调制扫频信号发生器 形成扫频信号。因此，示波管屏幕光点的水平移动，与扫 频信号频率随时间的变化规律完全一致，所以水平轴也就 变换成频率轴。也就是说，在屏幕上显示的波形就是是被 测网络的幅频特性曲线。
扫频测量法的测量过程简单，速度快，也不会产生测漏现 象，还能边测量边调试，大大提高了调试工作效率。扫频 法反映的是被测网络的动态特性，测量结果与被测网络实 际工作情况基本吻合，这一点对于某些网络的测量尤为重 要，如滤波器的动态滤波特性的测量等。扫频法的不足之 外是测量的准确度比点频法低。
6．1．1．2 扫频仪和网络分析仪
幅值 测量 扫频信号 被测网络 相位差 测量 频标发生 电路 扫描同步控制 曲线图形 显示
扫频仪结构框图
扫频法测试包含的各个部分的功能介绍如下： 扫描同步控制部分：产生锯齿或阶梯型扫描电压，同步地控制VCO和显示 部分地工作。有时，还要用于对整机各个部分的工作作同步的性能补尝， 如扫频信号源的幅值平坦度等。
（2）制作一被测网络
a、 b、 c、 d、 e、 电路型式：阻容双T网络； 中心频率：5kHz； 带宽：±50Hz； 计算出网络的幅频和相频特性，并绘制相位曲线； 用所制作的幅频特性测试仪测试自制的被测网络的幅 频特性。
2．发挥部分 （1）制作相频特性测试仪 a、 频率范围：500Hz～10kHz； b、 相位度数显示：相位值显示为三位，另以一 位作符号显示； c、 测量精度：3°。 （2）用示波器显示幅频特性。 （3）在示波器上同时显示幅频和相频特性。 （4）其它。
（6.1） i(ω) （6.2）
(ω)= oFra bibliotekω) － i(ω)为输入和输出的相位。通使输入信号的幅值在扫频过程
频率特性测量仪
频率特性测量仪摘要该频率特性测量仪采用89C52最小系统为控制核心，主要由正弦波发生器、数据采集存储、处理、显示、打印等功能模块组成。
通过键盘控制来实现幅频特性和相频特性的测量，包括参数预置、点测结果的显示与打印，以及用普通示波器单独或同时显示幅频特性曲线和相频特性曲线。
本系统采用可编程器件（CPLD）和DDS技术实现信号发生电路，频率值与步长均能灵活准确地预置。
被测网络采用有源带通双T网络，中心频率及带宽均达到要求：f0=5KHZ 、50Q。
另外，我们还制作了线性稳压电源，扩展了幅频特性曲线和相频特性曲线的打印功能。
设计中，较好地应用了EDA工具，软件设计模块化，总体较好地完成了基本部分和发挥部分的要求。
关键词：DDS，EDA，CPLD，双T网络，有源滤波，鉴相，数据采集一．总体方案论证㈠．总体设计思想本频率特性测试仪的设计思想为：1、尽量做到测试准确，自动化、智能化程度高，操作方便。
2、尽量采用大规模集成电路如可编程逻辑器件等，使系统简洁、调试修改方便，可靠性高。
3、尽量采用现代化设计工具和EDA软件平台，使设计快捷，先进。
㈡．总体设计方案基于以上设计思想，本系统采用单片机和可编程器件（CPLD）作为控制及数据处理的核心，将设计任务分解为正弦信号发生器、被测网络、数据采集与存储、幅频特性测量、相频特性测量、结果显示、打印等功能模块。
图1－１给出该系统的总体框图。
图1－１系统总框图如上图所示正弦波发生器采用DDS直接数字频率合成技术，其逻辑控制部分用可编程器件CPLD实现。
幅度测量采用峰值检波技术，相位测量则利用数字鉴相器实现。
检波电路和鉴相电路输出分别经A/D 采集后由89C52 读进存储在RAM 中，再经分析处理后输出到ＬＥＤ显示电路、波形显示控制电路或控制打印输出电路，以实现频率特性参数和频率特性曲线的显示或打印。
由于使用了89C52 单片机和ＣＰＬＤ器件，使系统具有很大的灵活性，便于实现各种复杂控制，从而能方便地对系统进行功能扩展和性能改进。
(完整)年简易频率特性测试仪
摘要本设计的实现的简易频率测试仪中主要包括正交扫频信号源的设计、被测网络的设计、信号混合电路的设计、低通滤波器的设计以及模数转换和显示模块的设计。
利用直接数字式频率合成器AD9854实现正交扫频信号源的设计，被测网络我们采用LRC谐振电路设计实现，利用AD835设计了乘法混合电路，自己利用滤波器设计软件设计了滤波器软件,利用C8051f020单片机最小系统控制高速AD7862完成模数的转换,最后在LCD屏上显示得到的相频曲线和幅频曲线.本系统中设计中我们及设计完成了要求完成任务外,设计了友好人机交互接口,实现了频率可设置、在实现的过程中不仅能够改变频率，而且可以改变频率改变的分度值，最重要的是我们不论是改变频率还是频率改变的分度值我们都使用了同一个按键,设置了确认键让使用者有一个良好的体验。
关键词：简易频率测试仪，AD9854,正交扫频信号源，C8051f020单片机AbstractThe design of a simple realization of the frequency measuring instrument mainly includes orthogonal frequency sweep signal source design， the tested network design, mixed signal circuit design， the design of low pass filter and analog to digital conversion and display module design。
The design of direct digital frequency synthesizer AD9854 to achieve orthogonal frequency sweep signal source， the measured network we use LRC resonant circuit design, the multiplication of mixed circuit design using AD835, their use of filter design software to design filter software， using C8051f020 single chip minimize system control of high speed AD7862 analog—to-digital conversion, finally shows the phase frequency curve the amplitude frequency curve in the LCD screen。
简易频率特性测试仪 陈硕组报告
简易频率特性测试仪摘要：本系统以MSP430单片机为核心，由DDS 频率合成器及其调理电路 、RLC 被测网络、高速乘法器、低通滤波、高精度ADC 及显示电路等构成。
高速DDS 频率合成器AD9854产生两路正交信号，其中一路通过RLC 谐振网络，其输出的信号与原始两路正交信号分别通过乘法器形成两路带有直流分量的混频信号，通过低通滤波提取出该直流信号进入数模转换器，根据公式AMP=22B A +和Ang=)(tan 1B A -即可得出原始信号通过谐振网络后得到的幅度与相位值，通过扫频测试即可得到幅频与相频曲线。
经测试，本设计满足题目所有基础部分和部分发挥部分要求。
关键字：DDS 、待测网络、高速乘法器、MSP430f169一、系统方案1、总体方案设计本系统设计由DDS 频率合成器AD9854实现两路正交信号的产生，其中一路信号经过被测网络产生待测信号，待测信号与原始的两路正交信号都通过比较器形成方波，再将该待测信号与原始正交信号通过锁相放大电路产生两路带有直流分量的待测信号信号，经过低通滤波形成纯正直流信号后根据AMP=22B A +得到幅度，Ang=)(tan 1B A-得到相角。
系统框图：AD8954信号合成器被测RLC 网络AD835乘法器AD835乘法器OPA227构成的有源低通滤波OPA227构成的有源低通滤波AD1115数模转换器AD1115数模转换器测试显示网络MSP430单片机图1-1 系统框图2、DDS 方案的论证与选择方案一：模拟器件实现。
采用AD 公司AD9854高速DDS 模拟器件，通过单片机编程，写入频率控制字和相位控制器，实现不同频率相位的波形输出。
方案二：线上可编程逻辑器件构成。
通过FPGA ，构建内部DDS 模块 ，编程控制频率及通过DA 输出产生相应的波形。
方案一通过单片机控制，程序简单，AD9854内部时钟速率最高为300MHz ，且该芯片输出误差及输出失调都较小，完全可以满足题目要求。
2013年E题简易频率特性测试仪获奖报告(国一).
简易频率特性测试仪（E题）摘要本系统是基于零中频正交解调原理的简易频率特性测试仪，用于检测被测网络的幅频特性和相频特性。
该系统主要包括DDS集成模块，RLC串联谐振电路，乘法器电路，低通滤波器，同相放大器和测量显示模块，其中RLC串联谐振电路作为被测网络。
本系统以DDS集成模块为核心，将其产生的正交扫频信号通过被测网络后，经乘法器得到高频信号；这两个信号经过低通滤波、同相放大后得到符合要求的I、Q直流分量；最后通过单片机进行ADC采样、数据处理和液晶显示，得到被测网络的幅频特性和相频特性。
本系统在算法上的创新之处是，在测量之初，采用短接被测网络即内测校准的方法减小了系统误差。
经最终测试，本系统能很好地完成被测网络的频率特性测试。
1 系统方案1.1 方案比较与选择1.1.1扫频信号源方案一：采用锁相环间接频率合成方案。
锁相环频率合成在一定程度上解决了既要求频率稳定精确、又要求频率在较大范围可调的矛盾。
但输出频率易受可变频率范围的影响，输出频率相对较窄，不能满足题目1MHz-40MHz的高频要求。
方案二：采用直接数字频率合成（DDS）方案。
DDS技术具有输出频率相对较宽，频率转换时间短，频率分辨率高，全数字化结构便于集成，以及相关波形参数（频率、相位、幅度）均可实现程控的优点。
采用集成芯片AD9854或FPGA可实现题目对扫频信号源的要求。
因此选用方案二。
1.1.2控制平台方案一：采用FPGA或CPLD进行控制。
利用FPGA可以方便地实现DDS信号源，但在液晶屏上显示幅频特性曲线和相频特性曲线较为困难，且FPGA成本较高。
方案二：采用C8051F020单片机进行控制。
C8051F020与8051兼容，速度可达25MIPS；它内部有两路ADC，速度分别为100ksps（12位）和500ksps（8位）；它具有4352字节内部数据RAM，64K字节的FLASH存储器，支持在线编程。
若选用C8051F020作为扫频仪的控制单元，用其实现产生扫频信号、进行数据采集、处理以及波形显示的功能，能够满足题目要求，且其性价比高。
2021年频率特性测试仪设计与总结报告(国赛一等奖)
频率特性测试仪设计与总结报告(国赛一等奖)频率特性测试仪设计与总结报告作者仇飞、徐川川、王雅灏摘要本设计以ARM红牛开发板作为整个系统的控制核心，通过软件产生频率线性变化的正弦波，并将其提供给被测网络测试。
变化前后正弦波使用软件测试，并计算其幅频特性和相频特性。
使用阻容双T网络制作被测网络。
关键词ARM开发板、阻容双T网络、加法器。
一、方案论证与选择总体方案设计根据题目要求，频率特性测试仪的功能是能够将输出可调正弦波给被测电路，并测量经过测量电路后正弦波的变化，从而得出幅频特性和相频特性。
①方案一信号源采用RC正弦波振荡电路产生信号。
用R、C元件组成选频网络的振荡电路为RC正弦波振荡电路，该电路适于产生1Hz~1MHz范围内的低频信号。
振荡频率由R、C值决定。
需要改善输出电压幅度的稳定问题，在放大电路的负反馈回路里采用非线性元件来自动调整反馈的强弱来维持输出电压恒定。
所需信号源为频率连续变化信号，因此要随时改变R、C值进而改变输出信号频率。
将产生的信号送至被测网络，变化后的信号和变化前信号同时送至集成有效值转换芯片AD637计算其有效值，经过A/D转换后，再使用模拟除法器得到其幅频特性。
该方案电路结构简单造价低，不需软件调试。
但对于测量相频特性较为困难。
原理框图如图一所示。
②方案二使用DDS芯片AD9834产生正弦波信号，产生正弦波频率最高可到25MHz。
AD9834是由28位的相位累加器、正弦只读存储器和一个10位的DA构成的数字控制式振荡器。
利用直接数字合成技术，和AD9834内部的两个频率寄存器、FSK技术可以实现单周期内的频率切换，以及占空比调节的实现。
通过外部引脚控制或控制字控制频率寄存器和相位寄存器调节输出，可以改变输出波形种类。
原理图如下。
图一方案一原理框图图二方案二原理框图③方案三使用ARM通过软件编程产生连续正弦波且频率在100Hz到100KHz内连续变化。
信号通过阻容双T网络后，再将其送至ARM将两路信号通过软件计算后得到幅频与相频特性。
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4.3相位差测量.................................................................12..
2013年全国大学生电子设计竞赛
题目：简易频率特性测试仪（E题）
学校：洛阳理工学院
系别：电气工程与自动化系
学生：蔡超越王瑞同葛永要
指导老师：张刚
时间：2013年9月4号---2013年9月7号
题目名称：简易频率特性测试仪（E题）
【摘要】：本实验以DDS芯片AD9851为信号发生器，以单片机STC8051为核心控制芯片，加之于外围电路来实现幅频及相频的检测。系统由5个模块组成：正弦扫频信号模块，待测串联RLC及加法器模块，低通滤波及AD转换模块，单片机最小系统模块，及显示模块。先以单片机送给AD9851控制字产生1MHz-40MHz的正交扫频信号，一路余弦信号经过RLC被测电路转换后，传入乘法器，分别与正交信号相乘。输出两路信号经过低通滤波器、AD转换，在12864上显示幅频特性曲线和相频特性曲线。
1.3数字频率发生器（DDS）AD9851产生
二．系统总体设计方案及实现框图......................5
三．单元模块设计........................................................................5
3.1正弦信号发生器..........................................................5
【关键词】:DDS STC8051最小系统 RC滤波
Abstract:This experiment is signal generator with DDS chip AD9851, STC8051 MCU as the core control chip, and the peripheral circuit to realize the amplitude frequency and phase frequency detection. System is composed of five modules: sine sweep signal module, serial RLC under test and the adder module, low-pass filtering and AD conversion module, single chip microcomputer minimum system module, and display module. Start with single chip microcomputer to AD9851 control word to produce 1 MHZ - 40 MHZ orthogonal frequency sweep signal, a cosine signal through the RLC circuit to be tested after transformation, the incoming multiplier, with the orthogonal signal multiplication respectively. Output two road signals through a low-pass filter, AD conversion, displayed on the 12864 amplitude-frequency characteristic and phase frequency characteristics curve.
一、方案论证与选择
DDFS)
方案一：采用数字直接频率合成技术(DDFS)。以单片机和FPGA为控制核心,利用FPGA中的N位地址存储相应的正弦表值，通过改变频率控制字K，寻址相位累加器的波形存储器的数据,以产生所需频率的正弦信号fout=fin *K/2N。该方案频率比较稳定，抗干扰能力强，但程序实现会有一定的繁琐性，并且会占用FPGA资源。
3.2待测串联RLC及加法器模块.....................................8
四．理论分析与计算...................................................................11
4.1扫频测试仪理论依据.................................................11
1.2程控锁相环频率合成
方案二：采用程控锁相环频率合成方案。锁相环频率合成是将高稳定度和高精确度的标准频率经过加减乘除的运算产生同样稳定度和精确度的大量离散频率，在一定程度上解决了既要频率稳定精确、又要频率在较大范围可变的矛盾，能产生方波，通过积分电路就可以得到同频率的三角波，再经过滤波器就可以得到正弦波，但采用了多次积分电路，这种具有惰性特性的电路误差大且不能满足相频曲线和幅频曲线的输出要求，功能扩展能力有限。
【key words】: DDSSTC8051 smallestRC filtering system
一．方案论证与选择....................................................................4
1.1扫频信号产生方案
1.2幅频和相频特性测量方案
五．系统软件设计.......................................................................13
七．总结分析与结论....................................................................21