7.2.3 扫频测量原理及软件设计 ...................................... 36 7.3 本章小结 ...................................................... 37 8 频率特性测试仪的测试
8.1 测试原理与方法 ................................................ 38 8.1.1 硬件平台的准备 .............................................. 38 8.1.2 测试方法和过程介绍 .......................................... 39 8.2 测试结果分析 .................................................. 39 8.3 本章小结 ...................................................... 40 9 结论与展望
9.1 总结 .......................................................... 41 9.1.1 所完成的任务与设计创新 ...................................... 41 9.1.2 设计存在的问题与不足 ........................................ 41 9.2 展望 .......................................................... 41 致 谢 ............................................................ 43 参考文献 .......................................................... 44 附录1：整机电路图 ................................................. 46 附录2：部分电路仿真原理图及仿真结果 ............................... 51 附录3: 点频测量过程示波器测量结果与样机测量结果表 ................. 57
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1 绪论
频率特性测试仪作为一种测量传输系统幅频特性和相频特性的定量测量仪器，在工程实践和实验室里都有非常广泛的应用。本章阐述了频率特性测试仪的研究背景、现状以及发展方向，明确指出了现有频率特性测试仪在体积以及易用性等方面所面临的问题。
1.1 课题的研究背景、目的及意义
在工程测量中，经常需要对一段传输线路的传输特性进行测量评估，以确定线路的数据传输质量，在实验室里，也经常需要对某个电路，某段走线的频率特性进行定量的分析测量，以评估电路走线的信号完整性，从而减少因为电路板设计不合理导致的电路工作异常。目前对于幅频特性和相频特性的测量主要采用有两种仪器，微米波段（300MHz—300GHz）主要采用的为网络分析仪，其测量准确、精度高、数据可靠、测量范围广，适用于高频段；中低频段（30—300MHz）的则以频率特性测试仪为主，其测量范围小于网络特性测试仪，测量精度高、速度快、数据可靠、对使用环境的要求也较低。相对于网络分析仪，频率特性测试仪体积较小、成本较低，因此，在中低频段，频率特性测试仪有很广的应用。目前已有的频率特性测试仪大多以台式机为主，体积较大、机身笨重、需要外接市电供电，携带不方便，给户外测量带来了很大的不便。本设计就是根据实际工程测量需求，设计一个测量范围在1MHz—40MHz的便携式频率特性测试仪。该频率特性测试仪可采用电池供电、体积小巧，采用零中频解调原理，成本低，结构简单、操作方便、稳定性好、精度适中，可满足一般的户外测量需求，适合于外出进行系统维护，也可用于实验室中产品的设计开发。
1.2 频率特性测试仪的现状
早期的频率特性测试仪系统多采用晶体管等分立元件设计，显示采用阴极射线管。由于分立元件特性随环境变化而不同，使用时间一长，元件的老化会改变其自身参数，因而使得测量结果精度不高。阴极射线管显示信息量少，结果不够直观，测量过程中需要花费大量的时间去读取显示数据，并根据显示数据进行一系列的整理计算，方可得出系统的频率特性，使用起来效率不够高。
随着集成电路的发展，出现了直接数字频率合成技术，并有很多优秀的直接数字频率合成芯片问世，主要代表为ADI公司的AD98XX系列和AD99XX系列。该系列芯片输出信号频率范围广、幅度稳定、抗干扰能力强。通过采用直接数字频率合成技术来产生扫频信号，可以弥补传统的LC谐振网络产生的信号频率精度不够高，幅度不稳定的缺点。且系统控制部分可采用单片机或DSP对传输网
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络的频率特性进行测量，电路简单，由于采用了数字电路，使得系统的抗干扰能力大大提高。但这种测量原理实质上还是在对信号的幅值和相位进行采样，通过采样来实现传输网络的频率特性。因此，受限于采样速度和模拟带宽的限制，采用此方案的低成本系统，测量范围不够宽，大多在1MHz以下，而测量范围宽的价格则极其昂贵，一般在2万元以上。
1.3 国内外概况
目前，国际上高性能网络分析仪主要以Agilent公司的系列产品为代表，如安捷伦公司的N52XXA高性能测试系列，以及N50XXA低成本系列。由于扫频仪工作频率范围与网络分析仪相比较低，技术要求也比网络分析仪低很多，因此目前国内外设计生产频率特性测试仪的公司有很多，产品大多相似，功能相近，且都局限台式机的形式，手持式频率特性测试仪并不常见。因此，在手持机方面，国内外都还有广阔的市场空间。
1.4 课题研究内容与组织结构安排
频率特性测试中，幅频特性可采用峰值检波法和采样法实现，也可采用零中频解调原理实现。相频特性测试可将信号整形为方波后测边沿的时差来实现，即过零法，也可采用零中频解调原理实现。峰值检波法测量精度不够高，对频率较高的信号难以正确测量[1]。过零法[2]电路的测量精度主要取决于测量时差的处理器运行速度。当处理器运行速度较低时，则难以准确的测得两个信号的过零点时间差，从而无法得到精确的结果。即过零法对处理器的要求较高，而且，过零法由于其自身电路特点，很容易受到噪声的影响。为了满足高噪声抑制能力，寻求一种能在较为恶劣的环境中稳定工作，且精度和测量范围相对较高的频率特性测试仪，本设计从零中频解调原理[3]入手，提出了一种测量范围在1M到40MHz，可进行点频和扫频测量的频率特性测试仪。各章的内容安排如下：
第二章分析了频率特性的基本概念，并从电路结构入手，对几种实现方法进行了分析对比，并结合具体设计要求和目标，介绍了零中频解调原理。
第三章详细介绍了该设计的重要电路—零中频解调电路的设计及实现方法，包括电路结构、传输特性、器件选择、高频布线以及电路结果验证等内容，并说明了设计的优势所在。
第四章详细介绍了扫频信号发生电路的设计，采用DDS专用芯片AD9854实现设计，分析了系统性能，通过高频电路设计及布线技术，确保了电路在所需工作范围内信号的稳定工作。
第五章介绍了控制系统的电路结构以及具体的实现方法，并介绍了SOPC技术在本设计中的优势，对系统的软件设计和FPGA逻辑设计进行了介绍，分析了几个关键运算模块的FPGA实现方法
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第六章介绍了系统工作电源设计与实现，通过对系统正常工作所需电源进行需求分析，设计了以锂电池为供电的电源电路，并针对不同的电路模块对电源的不同要求，设计了专用稳压电路。
第七章介绍了系统软件设计与实现，通过对系统各模块电路对软件的需求，设计了软件系统结构框架，并给出了软件设计流程图。
第八章介绍了设计过程中采用的设计方法，通过仪器测量、Tina-TI软件仿真，验证了设计的正确性和合理性。
第九章是整个课题研究阶段的回顾以及对该研究方向的展望。 其中，3、4、5、6、7章是核心内容，做了重点阐述。
1.5 本章小结
本章简要介绍了频率特性测试仪在电路设计及测量中的重要作用，并介绍了频率特性测试仪的发展史和国内外现状。零中频解调原理作为一种测量信号幅度和相位的方法，虽然在精度方面和采用高端DSP[4]方式还存在很大的差距，但由于其优异的抗干扰能力和简单的电路结构，很大程度上能够用很低的成本解决一些较为严重的干扰问题。用户可以在一定程度上采用此手持机来进行一些简单的测量，代替笨重的台式机，从而使设计和维护更加快捷方便。
频率特性测试仪是电路设计和设备维护中最常用的仪器之一，简单、快速、准确的测量不仅能够使设计更加可靠，更可进一步节省设计和维护时间，提高工作效率。我们相信，稳定可靠的频率特性测试仪一定会在推动产品的开发，科技的进步方面发挥重要的作用。
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2 系统设计方案的研究
本章回顾了频率特性测试仪的结构特点与控制特点，包括对点频测量法和扫频测量法的介绍[5]。然后结合频率特性测试仪发展的不同阶段分析了几种常见的设计方案，并根据本频率特性测试仪的参数要求，确定了其最终采用的设计方案。同时，本章还介绍了本设计中采用的零中频解调电路的原理。
2.1 系统的控制特点与性能要求
针对频率特性测试仪的具体使用环境及工作特点，本节分析了其系统控制特性与性能要求。并能简单介绍了系统的工作原理。 2.1.1 系统的控制特点
频率特性测试仪主要用于对一个传输系统的传输特性进行测量，包括测量信号幅度的改变以及信号相位的延迟。频率特性测试主要有两种方式：点频法测量和扫频法测量。其中，点频法主要测量传输系统的静态响应，而扫频法主要测量传输系统的动态响应。
所谓点频法，就是手动指定扫描信号的频率，通过观察比较传输系统的输出信号和输入信号之间的关系，来确定系统的幅频特性和相频特性。点频法测量实现电路简单，精度高，但无法得出系统的动态响应，且容易丢失某些特殊细节。如测量窄带陷波器的传输特性，如果手动指定的扫描信号频率恰好没有落在陷波器的截止频率范围内，则会对电路得出错误的测量结果。
而扫频法的出现正是为了解决点频法测量过程中容易丢失关键数据以及无法实现测量系统动态响应的问题。扫频法的实质就是点频法的快速实现。系统通过电路或者处理器控制扫描信号的频率以一定的速度，一定的频率步进，在一定的频率范围内来回变化，并采集传输系统在每个频点的幅频特性和相频特性，以此测出系统的动态响应。
系统主要由三部分组成：扫描信号发生电路、幅度相位检测电路、控制及显示电路。扫描信号发生电路的作用就是产生一个扫描信号，这个信号将被送入待测传输系统。幅度相位检测电路主要实现对传输系统输出信号的幅度和相位检测。控制及显示电路主要实现扫描信号发生电路的控制以及最终测量结果的显示。关于这三部分电路几种具体的实现方法及优缺点，第三章至第五章会进行详细的介绍，并最终确定本设计所采用的电路结构及实现方法。 2.1.2 系统的性能要求
频率特性测试仪主要实现对待测网络的幅频特性和相频特性的测量，作为一种定量测量的仪器，在精度和速度上都有严格的要求。首先，扫频信号的幅度、相位、频率必须要足够稳定。其次，为了尽量提高系统的测量范围，扫频信号的
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