基于DSP的频率特性测试仪设计

　　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20 Hz～150 MHz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，-3 dB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，最高采样率为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2.5 V参考电压。

　　2.3 DDS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，芯片最高工作频率500 MHz，输出信号最高频率可达180 MHz。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。