基于FPGA的频率特性测试仪的设计

    在电子测量中，经常需要对电路网络的阻抗特性和传输特性进行测量，其中传输特性包括增益和衰减特性、幅频特性、相频特性等。用来测量这些特性的仪器称为频率特性测试仪，简称扫频仪。目前市场上频率特性测试仪有模拟式和数字式两种，它们都存在体积大、价格贵、操作复杂的缺点，在实际应用中用户很难接受。本文采用了现场可编程门阵列(FPGA)及外围测量电路设计了一种简易便携式的频率特性测试仪，其性能上能满足大部分系统要求的频率响应特性的测量，具有较高的实用价值。

1 系统总体设计
    本系统以FPGA以核心，由扫频信号源、测幅电路、测相电路、有效值检测、整形电路、LCD触摸屏等模块构成。系统总体结构框图如图1所示。系统工作时，由扫频信号源输出频率可步进的正弦信号作为被测网络的输入信号，信号经过被测网络一路送到有效值检测电路中进行幅值检测，该幅度值与与扫频信号源输出信号的幅值进行比较，得到该点的幅频响应；另一路信号送到整形电路限幅整形后送至FPGA内部的测相电路进行相位差的测量，将相位差与信号的整个周期进行比较，就可以得到该点的相频响应。

2 系统主要模块设计
2．1 扫频信号源的设计
    直接数字式频率合成DDS具有相对带宽高，频率转换时间短，频率分辨率高，及输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控的优点，扫频信号源选择采用DDS信号源。实现过程如图2所示，将待产生的正弦波数据存入波形存储器中，在时钟信号fclk的控制下，通过由频率控制字M控制的相位累加器输出相位码，将存储于波形存储器中的波形量化采样数据值读出，经D／A转换成模拟信号，再经低通滤波器滤去除D／A转换带来的小台阶和数字电路产生毛刺，获得高精度、高纯度的正弦信号。

    输出信号的频率可由公式：fout=(fc／k)／2N×M计算得到，通过改变分频比k及相位累加器步长M可以改变出信号的频率。本设计中取fc=32．768 MHz，分频比k=5，相位累加位数N=16．则频率步进最小值为：
   
    考虑到DDS的输出存在杂散噪声，信号源最大输出频率选定为1 MHz。
    数模转换采用TI公司的8位D／A芯片，其转换周期为100 ns；LPF低通滤波器采用凌特公司的1 MHz／500 kHz五阶连续时间低噪声低通椭圆滤器LTC1560-1，电路连接使其工作在截止频率为1 MHz。电路如图3所示。

2．2 幅频特性测量模块
    该模块首先对被测网络的输出信号进行峰值检测，检测出来的峰值经A／D转换器量化成数字信号，送入到FPGA内部的测幅电路中完成处理运算得到网络的幅频特性。峰值检测选用LF398构成采样-保持电路，对输入和输出信号进行采样，筛选出峰值并予以保持。A／D转换选用TI公司生产的8位闪速结构数模转换器 TLC551 0，它采用CMOS工艺制造，可提供最小20 MS／s的采样率。峰值检测及A／D转换电图如图4所示。

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3 相频特性测量模块
    该模块采用相位一时间转化法。扫频信号经过被测网络只是相位和幅度发生了变化，而频率保持不变。将被测网络的输入输出信号分别通过LM393整形电路变成方波信号，电图如图5所示，将得到的两路方波信号同时送入FPGA测相电路中进行异或运算，运算后产生脉宽为Tx，周期为T的方波，测相电路只要测出Tx／T，相位差的大小也就确定了。

    相位的超前与滞后的判断则通过D触发器来完成，将整形后的被测网络的输入信号V1’加到D触发器的D端，将整形后被测网络的输出信号V2’作为触发器的CP信号，若V2’超前V1’，则对应V2’上升沿处，V1’为0，则D触发器输出为0。反之，V2’滞后V1’，则D触发器输出为1。波形如图6所示。

4 LCD触摸屏模块
    本系统选用320x240图形点阵液晶显示模块，显示测量得到的电路网络频率特性曲线、汉字、字母、数字、图形等；在液晶显示模块的基础上再增加触摸面板。
    使用户更方便地在屏幕上对各参量进行控制，将输入界面和输出界面一体化，使人机界面更加优秀。由于液晶显示控制时序比较复杂，本系统采用FPGA将处理后的数据经过缓存后送入单片机中进行显示控制。控制过程中在界面底层通过程序绘制频率特性直角坐标系，在上方图层绘制一道可以左右移动的屏标。通过按钮(设置为低电平触发中断)控制其移动。将要显示的参数分布显示在屏幕上。

5 系统软件设计
    系统软件设计主要由C语言和VHDL语言编写完成，前者主要完成显示控制，后者设计包括监控模块、测试功能管理模块、DDS控制模块、扫频测试模块、数据处理模块等。系统软件主流程如图7所示。

6 测试结果
    为了验证该频率特性测试仪的性能，对图8中RC串并联电路进行了测试，显示的频率特性曲线如图9所示。理论计算可得：电路中心频率
   

7 结语
    本系统在完成软硬件设计调试以后，对RC串并联网络进行了幅频特性测试。在测试中，系统工作稳定，较好地显示了测试电路的幅频、相频特性曲线，测量精度高，实时性强；本系统已成功运用FPGA设计了一种结构简单、成本低廉的频率特性测试仪，为以后设计便携式频率特性测试仪提供了参考和依据。