如何使用单片机和FPGA为核心实现频率特性测试仪的设计

　　频率特性是一个网络性能最直观的反映。频率特性测试仪用于测量网络的幅频特性和相频特性，是根据扫频法的测量原理设计，是一种快速、简便、实时、动态、多参数、直观的测量仪器，可广泛应用于电子工程等领域。由于模拟式扫频仪价格昂贵，不能直接得到相频特性，更不能打印网络的频率响应曲线，给使用带来诸多不便。为此，设计了低频段数字式频率特性测试仪。该测试仪采用数字直接频率合成技术专用的集成电路 AD985l 产生扫频信号，以单片机和 FPGA 为控制核心，通过 A/D 和 D／A 转换器等接口电路，实现扫频信号频率的步进调整、数字显示及被测网络幅频特性与相频特性的数显等。该系统成本低廉，扫频范围较宽（10 Hz～1MHz），可方便地与打印机连接，实现频率特性曲线的打印。

　　幅频和相频特性测量方案

　　方案 1：利用公式 H（s）=R（s）/E（s），以冲击函数为激励，则输出信号的拉氏变换与系统函数相等。但是产生性能很好的冲击函数比较困难，需要对采集的数据做 FFT 变换，需要占用大量的硬件和软件资源，且精度也受到限制。

　　方案 2：扫频测试法。当系统在正弦信号的激励下，稳态时，响应信号与输入激励信号频率相同，其幅值比即为该频率的幅频响应值，而两者的相位差即为相频特性值。采用频率逐点步进的测试方法。无需对信号进行时域与频域的变换计算，通过对模拟量的测量与计算完成，且精度较高。

　　该系统以单片机和 FPGA 为控制核心，用 DDFS 技术产生频率扫描信号，采用真有效值检测器件 AD637 测量信号幅度。在 FPGA 中，采用高频脉冲计数的方法测量相位差，经过单片机运算，可得到 100 Hz～100 kHz 中任意频率的幅频特性和相频特性数据，实现在该频段的自动扫描，并在示波器上同时显示幅频和相频特性曲线。用键盘控制系统实现各种功能，并且在 LCD 同步显示相应的功能和数据，人机交互界面友好。图 1 给出系统总体设计框图。