DSP的低頻頻率特性測試儀的設(shè)計

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 DSP的低頻頻率特性測試儀的設(shè)計 傳統(tǒng)的頻率特性測試儀不僅價格昂貴，且得不到相頻特性，更不能保存頻率特性圖和打印頻率特性圖，也不能與計算機(jī)接口，給使用者帶來了諸多不便。而本文采用DDS技術(shù)作為掃頻信號源；同時采用了集成模擬芯片AD8302對幅度和相位開展檢測，用DSP芯片TMS320VC5409和CPLD芯片EPM7128開展測量控制和數(shù)據(jù)處理，人杌接口部分是利用單片機(jī)AT89C51實現(xiàn)，并配有打印機(jī)接口和串行通信接口。 1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 頻率特性測試系統(tǒng)一般包含測試信號源、被測網(wǎng)絡(luò)、檢牽扯顯示3個部分。本系統(tǒng)根據(jù)所要完成的測試功能及技術(shù)指標(biāo)，該系統(tǒng)應(yīng)由掃頻

2、源、幅度相位測量電路、控制及運(yùn)算部分、人機(jī)接口單元幾部分組成。系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。 信號源電路由信號發(fā)生電路和信號調(diào)理電路兩部分組成。在本系統(tǒng)*號發(fā)生電路采用DDS技術(shù)(即直接數(shù)字頻率合成技術(shù))實現(xiàn)，用于產(chǎn)生頻率、持續(xù)時間等均可控的掃頻信號，并能夠滿足一般用戶對頻率范圍的要求；信號調(diào)理電路主要是對信號中的噪聲開展抑制并對輸出信號的功率起到控制作用。 增益相位檢測電路是為了檢測被測網(wǎng)絡(luò)兩端的幅度差和相位差。先對被測網(wǎng)絡(luò)兩端的信號開展預(yù)處理后對其開展模擬鑒幅和鑒相，然后把幅度差和相位差的模擬量由ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送給控制及數(shù)據(jù)處理電路開展分析處理。 控制及數(shù)據(jù)處理電路要完成邏輯控制、數(shù)據(jù)處

3、理和與人機(jī)接口部分通信3個主要功能，由DSP和CPLD組成。主要用于控制整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，并對測量及人機(jī)接口部分來的數(shù)據(jù)開展分析處理。 圖形顯示及接口電路負(fù)責(zé)接收各種指令和顯示測量結(jié)果，測量時掃頻信號所需要的起始頻率、終止頻率、頻率問隔、單頻點持續(xù)時間、信號功率等參數(shù)，以及測量完成后顯示特性曲線時顯示方式的設(shè)置，如：刻度大小選擇、文字標(biāo)注方式、坐標(biāo)選擇等。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)由掃頻源、幅度相位測量電路、控制及運(yùn)算部分、人機(jī)接口單元幾部分組成。 2.1 掃頻信號源設(shè)計 直接選用DDS技術(shù)設(shè)計掃頻信號源。從設(shè)計要求低頻和成本考慮，這里選擇AD7008系列中20 MHz芯片。掃頻信號源框圖如圖

4、2所示。由于AD7008內(nèi)部沒有時鐘發(fā)生電路，所以需要外部時鐘源提供時鐘信號，本系統(tǒng)采用NBC12439為AD7008提供時鐘信號。 由于AD7008輸出信號的幅度不能到達(dá)系統(tǒng)所要求的-55+18 dBm的范圍，故需要對信號開展放大，放大電路的設(shè)計較為簡單，為了便于對輸出信號的功率控制使用了可控增益放大器，易于數(shù)字控制增益的大??；又因為輸出信號的功率要到達(dá)+18 dBm且信號頻率達(dá)5 MHz，普通的運(yùn)放難以到達(dá)要求，故使用射頻放大器來提升信號的輸出功率。AD7008所產(chǎn)生的信號直接由器件內(nèi)部的DAC輸出，內(nèi)部不含低通濾波器，故要對其輸出信號開展濾波處理。 2.2 幅度相位檢測電路的設(shè)計 介紹用

5、幅度相位檢測芯片AD8302來檢測被測網(wǎng)絡(luò)的幅度和相位，及其信號調(diào)理電路，以及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路和相位的極性判斷電路。由于增益相位檢測器AD8302要求被檢測的兩路信號功率在-600dBm范圍內(nèi)，為防止損壞器件，需對兩路信號開展功率調(diào)整，本系統(tǒng)使用了易于數(shù)字控制增益的可控增益放大器AD8369和對數(shù)放大器AD8307構(gòu)成一個反應(yīng)系統(tǒng)開展自動調(diào)整。對數(shù)放大器AD8307可以對信號的幅度開展檢測，通過被檢測到的幅度范圍，系統(tǒng)調(diào)整可控增益放大器AD8369的放大倍數(shù)，使增益相位檢測器AD8302能夠有效地對被測網(wǎng)絡(luò)的增益和相位開展檢測。將模擬增益和相位檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的方法是采用ADC，由于檢測結(jié)

6、果是個慢變信號，因此對ADC的速度要求較低，本系統(tǒng)中具有3路模擬量要轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，因此選用了多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器件ADS8364。幅度相位檢測電路的硬件設(shè)計方案如圖3所示。 由于AD8302檢測的相位是0180之間，不能給出相位是超前還是滯后，所以需要相位極性判斷電路對相位開展判斷，其電路主要由分頻器電路、施密特觸發(fā)器、D觸發(fā)器等組成。 2.3 數(shù)據(jù)處理及控制電路設(shè)計 數(shù)據(jù)處理及控制單元主要完成通信、數(shù)據(jù)處理、功能控制等工作。主要由TMS320VC5409、晶體振蕩器、電源控制、WATCHDOG和CPLD等器件組成。 2.3.1 電路設(shè)計 這一部分電路是數(shù)字電路，所用器件均為數(shù)字器件，芯片是TI公

7、司的數(shù)據(jù)處理芯片TMS320VC5409和ALTEM公司的CPLD芯片EPM7128。電路構(gòu)造圖如圖4所示。 系統(tǒng)是對電網(wǎng)絡(luò)開展實時測量，在測量過程中要采集大量的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)還需要開展數(shù)字濾波等方法來提高準(zhǔn)確度，系統(tǒng)必然需要大數(shù)據(jù)量的運(yùn)算，而單片機(jī)的運(yùn)算能力弱不能到達(dá)實時處理的要求，故采用DSP作為數(shù)據(jù)處理電路的，考慮到系統(tǒng)成本因素采用TI公司的54系列DSP。 在選擇可編程邏輯器件時，容量大小是需要考慮的基本問題。故在器件選擇前，先確定完成設(shè)計功能所需邏輯資源的多少，本系統(tǒng)對CPLD所要完成的功能經(jīng)仿真、綜合后，約需占用1 500門左右的邏輯資源。綜合考慮之后選擇了Altera公司Max

8、7000系列的EPM7128。 在圖4中TMS320VC5409通過主機(jī)接口(HPI)承受單片機(jī)系統(tǒng)來的各種控制命令，并通過EPM7128STC控制掃頻信號源中的時鐘發(fā)生器NBCl24 39、DDS芯片AD7008和可控增益放大器AD8369產(chǎn)生信號功率可控的掃頻信號；控制增益相位檢測電路中的2個可控增益放大器AD8369和AD轉(zhuǎn)換器ADS8364開展信號檢測；據(jù)輸入信號頻率對兩個MC12080的分頻比開展控制；選通D觸發(fā)器讀入相位極性。 2.3.2 看門狗電路設(shè)計 由于本系統(tǒng)是一個獨立的系統(tǒng)，且DSP系統(tǒng)的工作時鐘頻率較高，在運(yùn)行時極有可能發(fā)生干擾和被干擾，嚴(yán)重時系統(tǒng)可能會出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，為了

9、克服這個毛病，除了在軟件上做一些保護(hù)措施外，在硬件上也必須做相應(yīng)的處理。硬件上有效的保護(hù)措施通常采用具有監(jiān)視功能(WATCHDOG)的自動復(fù)位電路。 其基本原理是電路提供一個用于監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行的信號，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行正常時，應(yīng)在規(guī)定的時間范圍內(nèi)給監(jiān)視線一個高低電平發(fā)生變化的信號，如果在規(guī)定的時間內(nèi)這個信號不發(fā)生變化，自動復(fù)位系統(tǒng)就認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行不正常并重新對系統(tǒng)開展復(fù)位。本系統(tǒng)采用MAXIM公司的微處理監(jiān)視電路MAX706-T實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)視，電路如圖5所示。 2.4 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計 本系統(tǒng)主要功能是完成人機(jī)接口功能和通信功能，包括鍵盤、液晶顯示器、標(biāo)準(zhǔn)串行接口、微型打印機(jī)接口和與DSP通信的HPI接口

10、等。單片機(jī)系統(tǒng)總體框圖如圖6所示。 單片機(jī)是用AT89C51，通過1片8255A來擴(kuò)展其并口，8255A的C口用于鍵盤接口，A口接到打印機(jī)數(shù)據(jù)線，打印機(jī)的控制線接于單片機(jī)的P1口(占3位)，8255A的B口對液晶顯示器開展控制，液晶顯示器的數(shù)據(jù)線通過緩沖器接于單片機(jī)的P0口。HPI接口完成與DSP的通信。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)電路的軟件設(shè)計包括DSP軟件設(shè)計和CPLD的軟件設(shè)計。 3.1 DSP軟件設(shè)計 DSP軟件的設(shè)計使用了TI公司的CCS開發(fā)工具，通過DSP仿真器開展調(diào)試，使用C語言和匯編語言混合編程。 DSP軟件程序主要功能是通過中斷方式從單片機(jī)系統(tǒng)中得到各種設(shè)置參數(shù)和命令，并根據(jù)這些

11、參數(shù)和命令開展相應(yīng)設(shè)置和相應(yīng)操作，并將采集的數(shù)據(jù)處理后送單片機(jī)系統(tǒng)顯示。另外還要照看看門狗。其程序流程圖如圖7所示。 3.1.1 主程序設(shè)計 系統(tǒng)上電后，TMS320VC5409內(nèi)部固化的加載程序檢測到外部8為并行加載方式有效，則將存儲在AT29C010A中的源程序取出存入內(nèi)部SRAM中。源程序占據(jù)FLASH的低32 K地址空間0000H7FFFH，同時映射在DSP外部數(shù)據(jù)存儲空間8000HFFFFH。加載過程中DSP軟件上自動設(shè)置7個等待周期，可保證數(shù)據(jù)存取正確。加載完畢程序開始順序執(zhí)行，首先設(shè)置定時器，開定時器中斷，使其在每低于0.8 s的時間內(nèi)產(chǎn)生中斷，在定時器中斷子程序中設(shè)置專用輸出管

12、腳XF,使看門狗的輸入端定時產(chǎn)生變化，否則其將產(chǎn)生DSP的RESET信號。然后，對系統(tǒng)開展初始化，初始化結(jié)束后。為了降低系統(tǒng)功耗可使DSP進(jìn)入空轉(zhuǎn)狀態(tài)(IDLE)，直到中斷發(fā)生。程序流程如圖8所示。 初始化包含DSP初始化、AD7008初始化以及AD8369的初始化。DSP的初始化主要是對中斷向量的定義，內(nèi)部時鐘的設(shè)置，外部等待時間的設(shè)置以及內(nèi)部空間SRAMDRAM的映射等，這些都是通過對DSP內(nèi)部專用存放器的設(shè)置來完成的。AD7008的初始化可通過設(shè)置控制存放器來完成。AD8369的初始化是把AD8369的放大倍數(shù)降為-10 dB，可以減少信號源電路的射頻功放的功率，也可以保護(hù)增益與相位檢測

13、電路中增益鑒相器AD8302，使AD8302的輸入信號功率保持為，防止輸入信號功率過大損壞器件。 3.1.2 HPI中斷服務(wù)程序設(shè)計 HPI口是連接單片機(jī)與DSP的接口，通過HPI口，主機(jī)也就是單片機(jī)可以向DSP寫數(shù)據(jù)，也可以從DSP的RAM單元讀取數(shù)據(jù)；同時通過HPI口控制存放器提供的中斷位，以及HPI的中斷信號中斷單片機(jī)，主機(jī)和單片機(jī)可以實現(xiàn)很好的對話。并且，根據(jù)單片機(jī)來的數(shù)據(jù)，開展相應(yīng)操作。其流程圖如圖9所示。 AD7008單頻工作的目的是為了檢測輸入信號的幅度范圍，從而設(shè)置輸入AD8369的增益倍數(shù)。AD7008以起始頻率為頻率點開展單頻工作，輸入信號的幅度檢測由AD8307來完成，檢

14、測結(jié)果由ADS8364的C通道開展數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，供DSP采集。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)個數(shù)到達(dá)系統(tǒng)設(shè)置值后，DSP對數(shù)據(jù)開展處理，判斷出輸入信號的幅度，以設(shè)置檢測電路中AD8369(2、3)的增益。 3.1.3 AD中斷服務(wù)程序設(shè)計 在AD中斷服務(wù)子程序中，主要是對采樣數(shù)據(jù)的讀取，如果是ADS8364的C通道的數(shù)據(jù)則是對輸入信號開展幅度判斷：如果是ADS8364的A，B通道的數(shù)據(jù)則是開展幅度相位的測量。測量結(jié)束后，將處理好的數(shù)據(jù)送單片機(jī)顯示。其流程圖如圖10所示。 通過C通道判斷以后，就設(shè)置好了檢測電路中的AD8369(2、3)，完成了掃頻測試前的準(zhǔn)備工作，AD7008可以開始掃頻工作了。按照起始頻率、頻率

15、步長、單頻點持續(xù)時間等對AD7008相應(yīng)存放器開展設(shè)置，使AD7008輸出滿足要求的掃頻信號；緊接著啟動ADS8364的A、B兩通道開展數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換的是AD8302的增益和相位檢測電壓：DSP在中斷服務(wù)子程序中對ADS8364開展數(shù)據(jù)采集。并做以下工作：接收采集數(shù)據(jù)，判斷單頻點采集到的數(shù)據(jù)量，開展單頻點數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波和簡單計算處理，判斷掃描頻率點數(shù)是否到達(dá)要求，決定掃頻是否結(jié)束，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形顯示格式送單片機(jī)顯示。 3.1.4 1s中斷服務(wù)程序設(shè)計 1s中斷服務(wù)程序較為簡單，就是照看看門狗，看門狗是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要部件，由于系統(tǒng)的高速運(yùn)行，外界的干擾以及程序內(nèi)部的有關(guān)問題，都有可能導(dǎo)

16、致系統(tǒng)的運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)死機(jī)的情況。設(shè)置看門狗就是在系統(tǒng)出現(xiàn)意外而導(dǎo)致運(yùn)行紊亂、死機(jī)時，自動恢復(fù)運(yùn)行的保證。在系統(tǒng)出現(xiàn)上述情況時，當(dāng)時間超過1 s時，看門狗將自動重新啟動系統(tǒng)。相關(guān)內(nèi)容在系統(tǒng)硬件設(shè)計部分有涉及。 3.2 CPLD軟件設(shè)計 CPLD的軟件設(shè)計使用MAXIM公司的MAX+PLUSII開發(fā)工具，使用VHDL語言開展編程。這部分程序主要是對來自DSP的信號開展譯碼后，對各個器件開展控制，使整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，完成測量任務(wù)。其設(shè)計流程圖如圖11所示。 圖12是CPLD對AD7008控制時序的仿真結(jié)果。從圖中可以看到，當(dāng)IOS和IOSTRB信號為低電平(這時DSP選中IO空間)時，CPL

17、D芯片對DSP的高位地址(ADD15ADD9)開展譯碼，當(dāng)高位地址為00H時，選中AD7008芯片，并在DSP讀寫信號RW為低時，DDSWRB變?yōu)榈碗娖?，即對AD7008開展寫入操作；當(dāng)高位地址為78H時，CPLD使DDSRESET信號變?yōu)榈碗娖?，即對AD7008開展復(fù)位操作；當(dāng)高位地址為01H時，CPLD使DDSFUD信號變?yōu)楦唠娖?，否則變?yōu)榈碗娖剑诵盘栐谏仙貙D7008內(nèi)部存貯器開展更新操作?？梢钥闯?，仿真結(jié)果符合要求。 圖13是CPLD對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8364的仿真結(jié)果，同樣，當(dāng)IOS和IOSTRB信號為低電平(這時DSP選中10空間)時，CPLD芯片對DSP的高位地址(ADD15ADD9)開展譯碼，當(dāng)高位地址為20H時，ADCRESETB信號輸出低電平，對AD8364開展復(fù)位操作；當(dāng)高位地址為30H時，ADCCSB信號輸出低電平，對ADS8364開展片選；當(dāng)四位地址(ADD15ADD12)為0CH時，由ADD11、ADD10、ADD9三位譯碼決定HOLDC、HOLDB、HOLDA的輸出電平；這3個信號分別控制ADS8364的3個采樣通道的轉(zhuǎn)換。由圖可以看出，其仿真結(jié)果符合要求。 4 測量結(jié)果 掃頻范圍0.004 7 Hz5 MHz，可以在全頻段內(nèi)任意設(shè)置掃頻寬度，分辨率為0.004 7 Hz，輸出電平范圍-55+18 dBm，掃頻步長可以在0.004 7 H