方华
摘 要：本系统使用STC12C5A60S2单片机为主控制器，以AD9854自制DDS电路产生峰值连续可调的正弦信号，通过由超宽带电流反馈运算放大器OPA695构建的两级增益可调放大电路，对输入信号放大后，直接输入或者通过1.5m双绞线输入到由线性整流滤波电路为主构建的幅度检测电路，将输出幅值信号送入示波器的Y通道，同时将信号的频率信息输入到示波器的X通道显示放大器输出信号的幅频特性。系统可以通过WiFi路由器无线传输幅频特性信息，由笔记本电脑完成幅频特性曲线的显示。该系统很好地实现了题目的基本要求以及大部分的发挥部分。
关键词：AD9854 OPA695 幅频特性
中图分类号：TM35 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（a）-0001-02
設计并制作了一个远程幅频特性测试装置，由具有自动扫频功能的信号源输出1～40MHz峰值可调信号，通过增益0～40dB连续可调的放大器，幅频特性装置完成放大器输出信号的幅频特性测试，由示波器显示幅频特性曲线，也可以通过WiFi路由器在笔记本上远程显示。
1 系统方案
本系统主要由MCU控制模块、信号发生器模块、放大器模块、幅频特性测试模块、WiFi路由器等组成，系统总体结构如图1所示。
1.1 信号发生器模块的论证与选择
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，很难满足题目1～40MHz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可实现题目对信号源的要求。
综合以上分析，选择方案二。
1.2 放大器模块的论证与选择
方案一：利用具有低失真、高速、单路输出等的运算放大器OPA354。但是，在放大电路应用中，OPA354的输出电压有效值达不到题目要求的1V有效值，且它的电阻值不能随意选取，需按照具体的典型值选择，才能达到芯片的最高利用效率，且容易出现过热现象、自激等情况。方案二：采用具有禁用功能的超宽带电流反馈运算放大器OPA695，该运放最大带宽为1.8GHz，具有高转换速率1800V/us，单位增益带宽积为500MHz（G=1），所以采用它使电路更可靠稳定。完全可以实现100MHz预放大，1.8G的带宽使得OPA695完全可以达到宽带放大的指标。
综合以上分析，为提高系统性能，选择方案二。
1.3 幅频特性检测模块的论证与选择
方案一：选用集成模拟乘法器MC1496。利用乘法器将输入信号进行平方，得到高频信号，低频信号以及直流信号，再通过低通滤波电路得滤去高频信号，得到低频或直流信号，最后经过一个电压跟随器后输出。但是MC1496器件内部元件参数不可能完全相同，致使输出波形出现载波漏信号，实际电路的波形并不完全对称。方案二：由于理论的信号输出的是直流量，因此，我们可以直接采用线性整流滤波电路。先将由放大器输出的电压信号经过线性整流滤波电路，将整流电路输出电压中的高次谐波分量滤除，得到幅值信号，然后再将频率信号与幅值信号一起输入到显示器，即可完成对放大器输出信号的幅频特性曲线的显示。
综合以上分析，从电路设计的可行性考虑，选择方案二。
2 系统理论分析与计算
2.1 系统原理与分析
根据数据手册制作了核心为AD9854的DDS集成板。通过STC12C5A60S2单片机的控制，使AD9854输出信号，然后将信号接入由OPA695构成的两级增益可调的放大器中，经过信号放大后，再通过线性整流滤波电路将高频信号滤除，得到幅值信号，然后再将频率信号与幅值信号分别输入到示波器的X和Y通道进行显示，也可以通过WiFi路由器在笔记本上远程显示。
2.2 信号发生器电路的设计
本文设计的信号发生器采用DDS技术，通过单片机的控制，实现正弦波、扫频等功能。系统组成结构主要有单片机模块、键盘显示模块、DDS模块等。系统采用的单片机是STC公司的STC12C5A60S2芯片，通过键盘设置控制信号源的输出信号的频率、幅度以及自动扫频。AD9854有10MHz串行接口和100MHz8位并行接口2种方式可以选择，此处将S/PSELECT（Pin70）引脚接高电平，选择并行传输方式，将STC12C5A60S2的P0.0至P0.7端口与AD9854的D0至D7端口相连传输数据信息，P2.0至P2.5端口与A0至A5端口相连传输寄存器地址信息，P3.6、P3.7分别与WR、RD两个引脚相连控制读写操作，由这三部分共同组成并行传输控制。
2.3 放大器电路的设计
放大电路由两级放大模块组成，具有宽带自动连续调节功能。两级放大器均由OPA695实现，每级放大10倍，两级之间通过衰减器电路进行级联，从而实现0～40dB增益范围可调。经测试，本系统达到了题目所设定的规定指标。
2.4 频率特性测试电路的设计
我们用线性整流滤波电路进行幅度检测。先将由放大器输出的电压信号经过线性整流滤波电路，将整流电路输出电压中的高次谐波分量滤除，得到幅值信号，然后再将频率信号与幅值信号一起输入到显示器，即可完成对放大器输出信号的幅频特性测试。
3 程序设计
3.1 程序功能描述
根据题目要求软件部分主要控制DDS模块产生1～40MHz的信号和扫频信号。
（1）输出信号：要求输出1～40MHz的正弦信号。endprint
（2）D/A转换：输出锯齿波扫频信号。
（3）按键：设置频率增减、扫频模式和输出幅度。
（4）显示部分：显示频率、扫描模式、幅值。
3.2 程序设计思路
（1）复位DDS。即Master保持10个以上系统时钟周期的正脉冲。写控制寄存器。设置工作模式、数据更新方式、锁相环倍数。写数据寄存器。写入输出的频率，以及设置信号幅值。（2）采用5个按键分别设置输出频率、扫频模式、输出幅度。（3）使用PWM模拟DAC输出锯齿波扫频信号。（4）采用STC12C5A60S2单片机来控制OLED显示频率值、扫频模式和幅度值。
4 测试方案与测试结果
4.1 测试方案
（1）硬件测试方案：使用GDS-1102A-U数字示波器观察并测量。
（2）软件仿真测试：利用proteus画出电路仿真图，进行电路的各项性能测试。
（3）硬件软件联调：软件仿真结果与实测值进行比较，分析差异原因，找出改进方案。
4.2 测试条件与仪器
测试条件：多次检查仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：信号源、GDS-1102A-U数字示波器、UT136B数字万用表。
4.3 测试结果及分析
4.3.1 測试结果（数据）
幅频特性测试装置的检测。
4.3.2 测试分析与结论
（1）利用AD9854制作的高频信号源，可以输出频率范围为1～40MHz正弦波，且通过单片机控制，步进为1MHz，具有自动扫描功能。（2）基本要求部分，几乎实现了题目要求，信号源输出电压峰峰值在0～100mV连续可调，放大器增益在0～40dB连续可调，输出电压峰峰值可达1V，且波形无明显失真，且幅频特性测试装置性能良好，满足题目要求。（3）发挥部分，输出电压有效值最大可达4V，且波形无明显失真，其他的部分也基本上达到题目所需的要求。
综上所述，本设计达到设计要求。
参考文献
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