矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀4.0.doc

宜賓學(xué)院2010屆畢業(yè)設(shè)計（論文）. 摘要本課題設(shè)計了一個基于AD9854和STM32F103的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，該儀器用于測量二端口線性非時變網(wǎng)絡(luò)的頻率特性，包括幅頻特性和相頻特性。采用直接數(shù)字合成(DDS)芯片產(chǎn)生精確的信號源作為被測網(wǎng)絡(luò)的輸入，避免了采用壓控振蕩器(VCO)和鎖相環(huán)(PLL)難以控制、精度不高的缺點；本儀器能測量的頻率特性范圍1Hz-120MHz，動態(tài)范圍60dB，相頻特性測量的分辨力為0.01度。另外還可進(jìn)行測量中的誤差校正，非線性自動補償?shù)裙δ?。并編寫了用于PC端的應(yīng)用軟件，能直觀地顯示被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻、相頻特性曲線，能夠定量觀察幅度增益、相位差和頻率值的大?。徊捎煤唵蚊髁说目刂泼姘?，提高了人機界面的友好度，經(jīng)實踐，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，符合要求。關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)分析，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，DDS，STM32F103，AD9854 AbstractA design and implementation of an intelligent vector network analyzer is described in the paper，which is designed for the measurement of the amplitude-frequency characteristic and phase-frequency characteristic of the linear, time-invariant, two port network. Using the advanced DDS technology，a complete digitally programmable frequency synthesizer is formed. Compared with the traditional one, the VCO and PLL, it is more accurate and easier to control. Frequency sweep from 1Hz to 120MHz , dynamic range 60dB, and phase-frequency measurement resolution up to 0.01 degree. The PC software displays the amplitude-frequency chart and phase-frequency chart clearly and directly; Simple and straightforward control panel provide a friendly interface between user and the instrument.Keywords：vector network analyzer，DDS，STM32F103，AD9854目 錄摘要IAbstractII第1章 緒 論11.1 歷史及應(yīng)用背景11.2 國內(nèi)外矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的現(xiàn)狀11.3 研究矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的目的和意義21.4本課題介紹2第2章 網(wǎng)絡(luò)分析儀及其技術(shù)概覽42.1網(wǎng)絡(luò)分析基本概念42.1.1網(wǎng)絡(luò)分析概述42.1.2微波網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)52.2網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)62.2.1標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀72.2.2矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8第3章 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀硬件設(shè)計93.1 總體方案設(shè)計93.2 微控制器接口電路設(shè)計93.3 跟蹤信號源93.3.1直接數(shù)字頻率合成(DDS) 技術(shù)103.3.2跟蹤信號源的設(shè)計113.4 幅度/相位檢測電路133.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路153.6 Switch電路設(shè)計16第4章 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀軟件設(shè)計174.1 PC機應(yīng)用軟件設(shè)計174.1.1 VB程序界面設(shè)計174.1.2 通信協(xié)議184.2 下位機軟件設(shè)計20第5章 系統(tǒng)調(diào)試245.1模塊電源調(diào)試245.2跟蹤信號源調(diào)試245.3數(shù)據(jù)采集模塊調(diào)試245.4系統(tǒng)連調(diào)24第六章 結(jié)論25參考文獻(xiàn)26致謝27附錄一 STM32核心電路圖28附錄二 信號源電路圖2929第1章 緒 論1.1 歷史及應(yīng)用背景在無線電測量中，經(jīng)常需要測量設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)的阻抗和傳輸特性，這里所說的傳輸特性，主要是指：增益和衰減、幅頻特性、相位特性和時延特性。早期的頻率信號源主要靠機械方式實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)，即通過機械開關(guān)改變振蕩部分的諧振回路來實現(xiàn)。這種機械式頻率調(diào)諧信號源都是按照“點頻”方式工作，也就是每次只能輸出單一頻率的連續(xù)波信號，改方法即為“點頻測量”：測量元器件在一定頻率范圍內(nèi)的傳輸特性時，必須將信號源的頻率依次調(diào)諧到指定頻點上，并分別測量各點上的參數(shù)之后，才能將各點數(shù)據(jù)連成完整曲線。點頻測量方法很簡單，但它存在明顯的缺陷：首先，點頻測量所得的頻率特性是靜態(tài)的，無法反映信號的連續(xù)變化。當(dāng)涉及的頻帶較寬、頻點較多時，這種測量法顯然極其繁瑣、費時、工作效率低。同時，測量頻點選擇的疏密程度不同對測量結(jié)果有很大的影響，特別是對于某些特性曲線的銳變部分以及個別失常點，很可能由于測量頻率點選取不到或不足而使得測量結(jié)果不能反映真實結(jié)果?；谏鲜鲈?，出現(xiàn)了掃頻測量，將間斷的點頻測量改為連續(xù)的掃頻測量，經(jīng)過連續(xù)不斷地頻率掃描便可顯示并記錄系統(tǒng)及器件在整個頻帶內(nèi)的傳輸特性曲線，大大提高了工作效率和測試質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)分析儀就是在掃頻測量技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的智能化儀器。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是全面測量網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的一種智能儀器，與標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀不同的是它既可測量網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性又可測量網(wǎng)絡(luò)的相頻特性。按照測量的頻率范圍可以分為低頻網(wǎng)絡(luò)分析儀、高頻網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波、射頻分析儀。不同頻率范圍的網(wǎng)絡(luò)分析儀所測量的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)也不同。低頻和高頻網(wǎng)絡(luò)分析儀主要用于測量線性非時變網(wǎng)絡(luò)的頻率特性，包括幅頻特性和相頻特性。微波、射頻分析儀主要用于測量線性與非線性網(wǎng)絡(luò)的特性，例如S參數(shù)，傳輸和反射信號的幅度、相位和群延遲，微波元件的絕對輸入和輸出功率。1.2 國內(nèi)外矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的現(xiàn)狀矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀目前主要有分體式和一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀兩個基本形式。分體式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用組合式結(jié)構(gòu)，一個最基本測試系統(tǒng)需要四個重要組成部分，按信號走向依次為激勵信號源、S參數(shù)測試裝置、高靈敏度幅相接收機和校準(zhǔn)件。其主要優(yōu)點是在組成測試系統(tǒng)方面具有較大靈活性。一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是激勵信號源、幅相接受機等部分的有機組合。國外分體式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀研制生產(chǎn)廠家主要有美國Agilent公司和Wiltron公司。1985年，Agilent(HP)公司推出HP8510A微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，同軸測量頻率范圍：45MHz26.5GHz。1989年，同軸S參數(shù)測量系統(tǒng)上限頻率擴展到40GHz。1990年，毫米波波導(dǎo)反射月專輸測試裝置工作頻段擴展至110GHz。1991年，Agilent公司推出第三代矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀HP8510C，同軸+A9量系統(tǒng)頻率范圍擴展至50GHz，Wiltron公司于1987年推出Wiltron360微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，1991年推出了Wiltron360B，功能和技術(shù)指標(biāo)均和HP8510C相當(dāng)。近些年來，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的發(fā)展很快，性能指標(biāo)不斷提高。目前市場上高頻和射頻的矢最網(wǎng)絡(luò)分析儀主要是美國Agilent公司的一系列產(chǎn)品：如HP3589A，其頻率特性范圍10Hz150MHz；微波分析儀Agilent8720系列覆蓋從50MHz到13.5、20或40GHz的頻率；S參數(shù)型(Agilent8719ES， 8720ET和8722ES)和傳輸/反射型(Agilent8719ET， 8720ET和8722ET)將一個快速合成信號源與綜合測試裝置結(jié)合在一起，它們能對傳輸和反射信號的幅度、相位和群延遲進(jìn)行快速、精確的測量，能測量微波元件的絕對輸入和輸出功率；射頻分析儀Agilent8753ET和8753ES系列覆蓋3或6GHz的頻率范圍，可以提供頻率和功率掃描，適用于表征有源和無源網(wǎng)絡(luò)、器件、元件和子系統(tǒng)的線性和非線性特性。另外值得一提的是Agilent4395A是網(wǎng)絡(luò)/頻譜/阻抗分析儀，10Hz500MHz，同時包括了網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻譜分析儀。Wiltron公司推出的Wiltron37200系列一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，與Agilent8720系列在功能和技術(shù)指標(biāo)上相當(dāng)。國內(nèi)41所成功研制的AV3615分體式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測量頻率范圍：45MHz26.5GHz。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀屬于臺式儀器中性能最高和價位亦高的儀器,能夠生產(chǎn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的儀器公司也屈指可數(shù), 產(chǎn)品種類齊全的實際上只有兩家, 可見矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的生產(chǎn)確有相當(dāng)難度。網(wǎng)絡(luò)特性測量又是電路設(shè)計不可缺少的參數(shù), 晶體管往往用不同的四端網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)來代表, 早期采用阻抗參數(shù), 例如至今仍然通用的是輸入阻抗和輸出阻抗, 接著又有納導(dǎo)參數(shù)、混合參數(shù), 后來最通用的是參數(shù), 現(xiàn)在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀都有參數(shù)的測量能力。1.3 研究矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的目的和意義根據(jù)電路理論, 任何復(fù)雜的電路都可用四端網(wǎng)絡(luò)來代表, 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)特性可求得該電路的增益、相位的頻率變化特性, 因而, 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的是幅度和相位, 而標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀只測量幅值。阻抗特性由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量, 頻譜特性由頻譜分析儀, 網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻譜分析儀是電子元件至系統(tǒng), 從設(shè)計、生產(chǎn)至維修都不可缺少的測量儀器。因此，開發(fā)出高性價比的矢量網(wǎng)絡(luò)信號分析儀，保持與國外同類產(chǎn)品在性價比的優(yōu)勢，打破國外技術(shù)壟斷和封鎖，對發(fā)展我國電子產(chǎn)業(yè)有非常重大的意義，加緊對這類產(chǎn)品的研制顯示得非常緊迫，在本設(shè)計中采用了直接數(shù)字頻率合成技術(shù)并且采用了單片寬頻帶相位差測量芯片等新型技術(shù)，與基于超外差系統(tǒng)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相比，節(jié)省了大量器件和PCB面積，減小了系統(tǒng)體積，提高了整機性價比。1.4本課題介紹本儀器是一種智能化的測量儀器，具體體現(xiàn)在：采用低功耗32位ST公司 Cortex-M3內(nèi)核ARM微控制器STM32F103進(jìn)行控制，能對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；采用直接數(shù)字合成(DDS)芯片產(chǎn)生精確的信號源作為被測網(wǎng)絡(luò)的輸入，避免了采用壓控振蕩器(VCO)和鎖相環(huán)(PLL)難以控制、精度不高的缺點；并編寫了用于PC端的應(yīng)用軟件，能直觀地顯示被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻、相頻特性曲線，能夠定量觀察幅度增益、相位差和頻率值的大??；另外還可進(jìn)行測量中的誤差校正，非線性自動補償?shù)裙δ?。本論文的工作是掌握網(wǎng)絡(luò)分析相關(guān)理論，設(shè)計出矢量網(wǎng)絡(luò)分析整機系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)設(shè)計的可行性和測量的精度，在方案論證階段，利用各種仿真軟件對各個測量模塊進(jìn)行功能仿真和驗證。利用Cadence Allegro軟件對低通和帶通濾波器、整型電路、阻容網(wǎng)絡(luò)的頻率特性進(jìn)行仿真，從而保證了整個系統(tǒng)設(shè)計的可行性和測量的精度。該矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于測量雙端口線性非時變網(wǎng)絡(luò)的頻率特性，包括傳輸和反射信號幅頻和相頻特性。具體指標(biāo)如下：頻率輸出范圍：1Hz 到120MHz頻率分辨力： 1mHz幅度測量：-62dbm-2dbm(50負(fù)載阻抗) 幅度/相位精確度：0.5dB/1幅度/相位分辨力：0.01dB/0.01輸出功率：大于0dbm輸出阻抗：50第2章 網(wǎng)絡(luò)分析儀及其技術(shù)概覽2.1網(wǎng)絡(luò)分析基本概念2.1.1網(wǎng)絡(luò)分析概述這里所說的網(wǎng)絡(luò)，并不是指通常大家所熟知的計算機網(wǎng)絡(luò)，而是對實際物理電路和元件的一種數(shù)學(xué)抽象，用來研究外部特性：系統(tǒng)中元件的作用可以通過對它激勵信號的傳輸及反射特性來表征。即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端電參量之間的相互關(guān)系已知時，元件的特性也就因此完全確定。網(wǎng)絡(luò)分析就是通過掃頻測量精確獲知元件的幅頻特性和相頻特性的方法。頻譜測量所表征的是電路單元中存在的信號特性，而網(wǎng)絡(luò)測量所表征的則是電路單元組成的系統(tǒng)特性。例如，對一個濾波器輸出的相位噪聲或寄生頻率分量，可以用頻譜儀來測量、而要了解個濾波環(huán)路的傳遞特性，就要使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測量了。 1.線性網(wǎng)絡(luò)與非線性網(wǎng)絡(luò)在考慮非線性引起的失真時，常常會發(fā)現(xiàn)純粹的線性網(wǎng)絡(luò)仍可能導(dǎo)致信號的畸變。線性網(wǎng)絡(luò)的確能夠改變信號頻譜分量的幅度和相位關(guān)系，從而使時域波形發(fā)生變化，但這和非線性失真是有區(qū)別的：線性網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)僅改變輸入信號的幅度和(或)相位值，不會產(chǎn)生新的信號；而有源和無源非線性器件則會改變輸人信號的頻率，或者產(chǎn)生其他頻率成分。如圖2-1所示，當(dāng)放大器過載時輸出信號會因為飽和而被“削頂”，而且不再是純正弦波，還會出現(xiàn)頻率數(shù)倍于輸人信號的諧波分量。圖1-1 非線性失真 如果通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘枦]有產(chǎn)生失真，DUT的幅頻響應(yīng)特性曲線應(yīng)該是平坦的，相頻響應(yīng)曲線應(yīng)在整個帶寬內(nèi)呈線性。如果輸出波形有任何畸變，變化的程度取決于幅度和相位的非線性。 網(wǎng)絡(luò)分析總是假定被分析電路或網(wǎng)絡(luò)是線性的，因而可以基于掃顏正弦測量方法進(jìn)行頻率特性的定量分析。對于非線性網(wǎng)絡(luò)，通常使用頻譜分析儀來測量。2. 網(wǎng)絡(luò)分析參數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析常用信道R進(jìn)行入射波測量，信道A測量反射波，信道B測量傳輸波。通過比值測量，我們可以獲得相對/傳輸參數(shù)：反射參數(shù)由A/R得到，傳輸參數(shù)由B/R得到。入射、反射和傳輸波形都同時具有幅度和相位信息，因此可以對DUT的反射和傳輸特性進(jìn)行定量分析。反射、傳輸參數(shù)可以表達(dá)為矢量（同時包含幅度和相位信息）、標(biāo)量（僅包含幅度信息）或僅含相位信息的形式。入射波與反射波的關(guān)系用反射系數(shù)代表，并可用下式加以表示，即=反射波振幅/入射波振幅或 （2.1）回波損耗（Ruturn Loss，簡稱RL）是反射系數(shù)的對數(shù)表征形式，單位為dB。對于特征阻抗為的傳輸線，在終接匹配負(fù)載時沒有發(fā)生發(fā)射；當(dāng)負(fù)載阻抗時，會因為失配而產(chǎn)生反射。傳輸線路上所形成的電壓最大值與最小值之比稱為電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio，簡稱VSWR），一般僅稱為SWR。駐波比具有以下關(guān)系：又可表示為： （2.2）顯然地，當(dāng)無反射時，當(dāng)全反射時 。2.1.2微波網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)在低頻中，一般用阻抗Z參數(shù)或?qū)Ъ{Y參數(shù)來表述網(wǎng)絡(luò)特性，這些參數(shù)的定義都是基于電壓、電流的概念，測量時需要在特定的端口條件下（如開路、短路）測出對應(yīng)的電壓和電流，由此確定各參數(shù)，而在高頻中，很難測量器件端口的電壓和電流。由于探頭自身阻抗不能簡單的通過連接電壓表或者電流表探頭進(jìn)行精確測量，同時很難在期望的位置放置探頭。并且動態(tài)器件可能因為連接探頭短路和開路而震蕩或損壞。由此必須找到一種方法適合微波測量。圖2-2 微波網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)微波網(wǎng)絡(luò)常用散射參數(shù)（S參數(shù)）表示。任何網(wǎng)絡(luò)都可用多個S參數(shù)表征其端口特性，對n端口網(wǎng)絡(luò)需要n2個S參數(shù)。如圖2-2所示，DUT稱為被測器件（Device Under Test），外部帶箭頭用來表示DUT端口信號流向。當(dāng)入射波a1進(jìn)入端口1時其中有一部分由于端口失配而反射回來，大小為S11a1；a1其余部分經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)蕉丝?上成為出射波，大小為S21a1。同樣，若有入射波a2進(jìn)入端口2，其中一部分也會因為失配反射回來，大小為S22a2；a2其余部分經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)蕉丝?成為出射波，大小為S12a2。因此用b1、b2分別表示端口1和端口2上所有出射波，有 （2.3）式（2.3）中的S11、S12、S21、S22即為雙端口網(wǎng)絡(luò)的四個S參數(shù)，被稱為散射參量，因此式（2.3）也被稱為散射方程組。S參數(shù)的兩個數(shù)字下標(biāo)中，第一個代表波出射端口，第二個代表波入射端口。則S11是端口2匹配時端口1的反射系數(shù)；則S22是端口1匹配時端口2的反射系數(shù)；S21是端口2匹配時的正向傳輸系數(shù)；S12是端口1匹配時的反向傳輸系數(shù)。所有S參數(shù)同時包含幅度和相位信息。由S參數(shù)可以推導(dǎo)出其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如電壓駐波比、反射系數(shù)、阻抗、回報損耗等反射參數(shù)，以及增益、衰減、傳輸系數(shù)、相移。群時延等傳輸參數(shù)。各表達(dá)式如下：1.反射參數(shù)：電壓駐波比：或反射系數(shù)：端口1 ；端口2 阻抗：端口1 ；端口2 回波損耗：端口1 ；端口2 2.傳輸參數(shù)：增益：衰減：傳輸系數(shù)：正向；反向傳輸相移：正向；反向群延時：（為角頻率）2.2網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的測量是電路與系統(tǒng)設(shè)計最重要的工具之一。線性網(wǎng)絡(luò)的頻率特性測量應(yīng)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀(Network Analyzer，簡稱NA)實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠完成反射、傳輸兩種基本測量，從而確定幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)特性，散射參數(shù)是其中最基本的特性?，F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀，尤其是高頻或微波網(wǎng)絡(luò)分析儀，均以測量S參數(shù)為基礎(chǔ)，這是因為S參量的測量是以網(wǎng)絡(luò)分析儀的特性阻抗Zo為參考的，較易獲取寬帶標(biāo)推負(fù)載，所以在高額段上S參量比其他參數(shù)更易于測量；而且由于所有參量都包含有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的相同信息，故任何一組參量總可以利用已測得的S參量計算出來。它的出現(xiàn)替代了過去模擬測量濾波器、放大器的方法，使測量工作變得更為自動化和精確。網(wǎng)絡(luò)分析儀最常見的應(yīng)用時進(jìn)行雙端口網(wǎng)絡(luò)散射矩陣（S矩陣）測量，如圖2-1-2所示?；镜木W(wǎng)絡(luò)分析儀主要由信號源、S參量測量裝置及矢量電壓表組成。通過信號源在端口1上對被測器件DUT進(jìn)行激勵（入射波為）圖2-1-1 S散射矩陣測量信號源：向被測網(wǎng)絡(luò)提供入射信號或激勵；S參量測量裝置：實際上是反射測量電路與傳輸測量電路的組合，首先將入射、反射及傳輸信號分離開，然后通過轉(zhuǎn)換開關(guān)分別進(jìn)行測量；矢量電壓表：測量入射、反射和傳輸信號的幅值及它們之間的相位差。也可以通過幅相接收機實現(xiàn)此功能。圖2-1-2 矢量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)常見的網(wǎng)絡(luò)分析儀分為標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀兩種。2.2.1標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀是使用二極管檢波器測量輸入/輸出DUT的信號的最簡單、最經(jīng)濟的途徑。由于檢波器無法獲得相位信息，因此只能測得S參數(shù)的幅值，故名標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀。其實對很多應(yīng)用場合，僅有幅度值已經(jīng)足夠了。圖2-2-1所示為一個標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)框圖，圖中入射波為，反射波為，傳輸波為，它們的測量通道分別為R(參考)、A、B。通過這些信號可以確定正向S參數(shù)、。再將被測網(wǎng)絡(luò)的激勵端與測試端反接，同理可測得、。圖2-2-1 標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)框圖2.2.2矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠測量復(fù)S參數(shù)的儀器就是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。如圖2-2-2所示的是一種超外差式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成框圖。圖中PFD為相頻檢波器（Phase Frequency Detector），H(s)為環(huán)形濾波器（Loop Filter）。BPF為帶通濾波器（Band Pass Filter）。它描述了這類網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本結(jié)構(gòu)，實際上它實際上與超外差接收機非常類似。為了給出相位測量提供參考信號，信號源使用鎖相環(huán)輸出的本振來激勵DUT，該本振信號還同時用于頻率變換中。參考信號即入射波，通過R通道進(jìn)行測量；反射波、傳輸波所在的測試通道分別為A、B；掃頻源一方面為DUT提供激勵，一方面可以作為單獨的掃頻源輸出通道S。為獲得復(fù)S參數(shù)而進(jìn)行的復(fù)數(shù)除法可以用硬件完成，但現(xiàn)在更多是采用對混頻所得的中頻信號采樣和數(shù)字化，然后通過數(shù)字處理的方法實現(xiàn)。圖2-2-2矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)框圖第3章 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀硬件設(shè)計3.1 總體方案設(shè)計本系統(tǒng)主要由微控制器、跟蹤信號源、多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器、幅度/相位檢測等四個部分組成，其系統(tǒng)框圖如圖3-1-1所示。圖3-1-1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀總體框圖圖3-1-1為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀總體框圖，上位機在發(fā)出掃頻指令后，微控制接收來自PC端口的命令，控制跟蹤信號源產(chǎn)生掃頻控制信號，控制標(biāo)準(zhǔn)正弦信號的頻率，頻率范圍為：1Hz100MHz。信號輸出端PORT1與PORT2過同軸電纜與被測器件（DUT）連接，同時在Switch的作用下一對AD8302分別對反向傳輸特性參數(shù)S12和正向傳輸特性參數(shù)S21的幅度和相位進(jìn)行測量，通過多通道ADC采樣后送至MCU處理后，上傳到PC端顯示。3.2 微控制器接口電路設(shè)計本設(shè)計選用的是基于突破性的ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列32位單時鐘指令周期閃存微控制器，在主時鐘72MHz，指令速度可達(dá)到90DMIPS。這是一款專為嵌入式應(yīng)用而開發(fā)的內(nèi)核。STM32系列產(chǎn)品得益于Cortex-M3在架構(gòu)上進(jìn)行的多項改進(jìn)，包括提升性能的同時又提高了代碼密度的Thumb-2指令集，大幅度提高了中斷響應(yīng)，而且所有新功能都同時具有業(yè)界最優(yōu)的功耗水平。它提供了一個完整的32位產(chǎn)品系列，在結(jié)合了高性能、低功耗和低電壓特性的同時保持了高度的集成性能和簡易的開發(fā)特性。非常適合電池供電設(shè)計，能夠滿足低成本低功耗高可靠多外設(shè)等要求，而且32位ARM 軟件開發(fā)具有開放性和擴展性的特點。在本設(shè)計中微控制器選用具有512KB Flash存儲器，64KB SRAM的STM32F103ZET6，采用8MHz無源晶體振蕩器作為外部時鐘輸入，內(nèi)部時鐘鎖相環(huán)9倍頻，因此主時鐘為72MHz，電路圖見附錄一。3.3 跟蹤信號源在無線電測量中，經(jīng)常需要測量設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)的頻率特性，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于測量二端口線性非時變網(wǎng)絡(luò)的頻率特性，包括幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)。頻率特性測量的關(guān)鍵是產(chǎn)生頻率步進(jìn)的信號源，該信號源的頻率、幅度及相位應(yīng)能精確測定。以往的跟蹤信號源大多是基于壓控振蕩器(VCO)、函數(shù)發(fā)生器及鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)。這些技術(shù)存在轉(zhuǎn)換頻率時間長、頻率精度不高、硬件耗費比較大等問題。隨著超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，由單片微處理機和直接數(shù)字頻率合成(DDS)芯片為核心構(gòu)成的DDS跟蹤信號源應(yīng)運而生。與其它頻率合成方法相比，DDS技術(shù)的主要優(yōu)點是：分辨率高；頻率轉(zhuǎn)換速度快；頻率切換時相位保持連續(xù)；合成頻率準(zhǔn)確；全數(shù)字化控制；可與微處理器接口。DDS對信號質(zhì)量的改善在于其系統(tǒng)的相位噪聲主要取決于參考時鐘振蕩器，基本不受系統(tǒng)其他部分的影響?，F(xiàn)在，DDS 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于本振、信號發(fā)生器、儀器、通信、雷達(dá)等系統(tǒng)。因此采用DDS芯片作為矢量網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)中的頻率合成器，必將大大提高整個系統(tǒng)的性能，成為理想的選擇。3.3.1直接數(shù)字頻率合成(DDS) 技術(shù)直接數(shù)字頻率合成DDS (Direct Digital Synthesis)，是一種新穎的頻率合成技術(shù)。其基本結(jié)構(gòu)如圖3-3-1所示。相位累加器波形存儲器D/A轉(zhuǎn)換器低通濾波器Foutfclk圖3-3-1直接數(shù)字頻率合成基本結(jié)構(gòu)這種技術(shù)的實現(xiàn)依賴于高速數(shù)字電路的產(chǎn)生，目前，其工作速度主要受DDS變換器的限制。DDS 技術(shù)就是利用正弦信號的相位與時間呈線性關(guān)系的特性，通過查表的方式得到信號的瞬時幅值，從而實現(xiàn)頻率合成。為了輸出一定頻率的信號，在每一個時鐘周期中，存儲在頻率/相位字寄存器中的相位增量值被送到相位累加器中，輸出的結(jié)果送入正弦、余弦函數(shù)表中， 通過查詢將相位信息轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的正弦幅度值， 產(chǎn)生數(shù)字化正弦信號。相位增量值與輸出信號頻率fout和參考時鐘頻率之間的關(guān)系為： （3.1）式中，N是相位累加器的字長。由公式（3.1）知，相位增量值與輸出信號頻率成正比。由取樣定理，DDS所產(chǎn)生的信號頻率不能超過時鐘頻率的一半，在實際運用中，為了保證信號的輸出質(zhì)量，輸出頻率不要高于時鐘頻率的33%，以避免混疊或諧波落入有用輸出頻帶內(nèi)。跟蹤信號源頻率分辨率直接取決于DDS 的頻率分辨率，計算公式如下 （3.2） （3.3）3.3.2跟蹤信號源的設(shè)計矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用來測量二端口線性時不變網(wǎng)絡(luò)的頻率特性。頻率特性是一個網(wǎng)絡(luò)對一系列正弦輸入信號的響應(yīng)特性。被測網(wǎng)絡(luò)輸入幅度為，角頻率為的正弦信號，對于線性時不變網(wǎng)絡(luò)，其穩(wěn)態(tài)輸出也是正弦信號，幅度為，角頻率為，相角差為。改變的大小，可以得到一系列的輸入和輸出數(shù)據(jù)，其中，幅頻特性和相頻特性統(tǒng)稱為頻率特性。網(wǎng)絡(luò)分析儀中的跟蹤信號源為被測網(wǎng)絡(luò)提供激勵，根據(jù)測量要求，需產(chǎn)生一系列頻率精度高、轉(zhuǎn)換速度快、步進(jìn)小、相位可控、頻率轉(zhuǎn)換時相位保持連續(xù)的正弦波。本設(shè)計掃頻范圍為10Hz120MHz，采用美國AD 公司的DDS 芯片AD9854，用微控制器作控制器，實現(xiàn)頻率的合成與控制。AD9854數(shù)字合成器是高集成度的器件，它采用先進(jìn)的DDS技術(shù)。AD9854的DDS核具有48位的頻率分辨率（在300M系統(tǒng)時鐘下，頻率分辨率可達(dá)1uHz）。輸出17位相位截斷保證了良好的無雜散動態(tài)范圍指標(biāo)。器件有兩個14位相位寄存器和一個用作BPSK操作的引腳。具有改進(jìn)DDS結(jié)構(gòu)的12位I和Q通道D/A轉(zhuǎn)換器可以提供較大的帶寬并有較好的窄帶無雜散動態(tài)范圍（SFDR）。300M系統(tǒng)時鐘通過配置內(nèi)部鎖相環(huán)為20X，由較低的外部15.000MHz有源晶振得到。采用單片微處理機對DDS 進(jìn)行控制，構(gòu)成跟蹤信號源的電路非常簡捷，其電路方框圖見圖3-3-2（電路圖見附錄二）。圖 3-3-2 掃頻信號源系統(tǒng)框圖該電路由微控制器、DDS、參考時鐘、低通濾波器(LPF)和寬帶放大電路組成。低通濾波器是跟蹤信號源中的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)濾除輸出信號中所含有的高頻雜散信號和諧波信號，輸出純凈的正弦波。DDS的輸出雜散有三個主要來源：N比特相位累加器只輸出高M(jìn)位對ROM 進(jìn)行尋址；ROM存儲的幅值編碼僅為有限位；DAC的有限分辨率和非線性特性；DDS的輸出包括基本脈沖諧波譜，出現(xiàn)在下列位置： （3.4）本設(shè)計中，最高頻率輸出是120MHz，采用了300MHz 的參考時鐘，使諧波信號頻率遠(yuǎn)離輸出信號頻率，減小對低通濾波器的要求。這里設(shè)計了一個9 階橢圓低通濾波器，取得了較好的效果，電路圖如圖3-3-3。仿真結(jié)果見圖3-3-4與3-4-5寬帶放大器選用低噪聲運放，對DDS 輸出的信號進(jìn)行放大，以達(dá)到跟蹤信號源的要求。AD9854是超大規(guī)模CMOS器件，對時鐘信號的質(zhì)量要求比較高，時鐘信號波形應(yīng)良好，時鐘信號用地線屏蔽；要考慮良好的去耦電路。模擬電源引腳選用一片1uF和一片0.01uF的 MLCC并聯(lián)作為退耦電容，數(shù)字電源選用一片0.1uF的MLCC，并且盡可能靠近器件均用磁珠連接。注意良好接地，模擬地、數(shù)字地分開，利用磁珠隔離。選用ST公司生產(chǎn)的低功耗處理器STM32F103ZET6對DDS的邏輯和輸出信號進(jìn)行實時控制。圖3-3-3 120MHz 9th橢圓濾波器原理圖圖3-3-4 120MHz橢圓濾波器仿真圖（一）圖3-3-5 120MHz橢圓濾波器仿真圖（二）由圖中可以看出濾波器的通頻帶為，插入耗損約為-1.7dB，阻帶衰減大于-40dB。3.4 幅度/相位檢測電路在這部分電路中，選用了ADI公司的AD8302 的首款RF/IF幅度和相位測量的單片集成電路，它能同時測量從低頻到2.7GHz頻率范圍內(nèi)兩輸入信號之間的幅度比和相位差。該器件將精密匹配的兩個對數(shù)檢波器集成在一塊芯片上，因而可將誤差源及相關(guān)溫度漂移減小到最低限度。該器件在進(jìn)行幅度測量時，其動態(tài)范圍可擴展到60dB，而相位測量范圍則可達(dá)180度。AD8302具有以下主要特點： 可在低頻到2.7GHz頻率范圍內(nèi)測量幅度和相位； 對于50的測量系統(tǒng)，其輸入范圍為-62dBm-2dBm； 精確幅度測量比例系數(shù)為30mV/dB，精確典型值小于0.5dB； 精確相位測量比例系數(shù)為10mV/度，精確典型值小于1度； 該器件在操作時，具有測量、控制和電平比較三種工作方式； 帶有穩(wěn)定的1.8V基準(zhǔn)電壓偏置輸出； 視頻帶寬響應(yīng)為30MHz； 采用2.75.5V單電源工作；圖3-4-1所示是AD8302的功能結(jié)構(gòu)框圖。它主要由精密匹配的兩個寬帶對數(shù)檢波器、一個相位檢波器、輸出放大器組、一個偏置單元和一個輸出參考電壓緩沖器組成。圖3-4-1 AD8302結(jié)構(gòu)框圖AD8302 的幅度和相位測量原理主要基于對數(shù)放大器的對數(shù)壓縮功能，其一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：、 （3.5）其中，為輸入電壓，為截距，為斜率。AD8302 正是利用上述對數(shù)放大器的對數(shù)壓縮原理，并通過精密匹配的兩個寬帶對數(shù)檢波器來實現(xiàn)對兩輸入通道信號的幅度和相位的測量，其幅度和相位測量方程式如下： （3.6） （3.7）其中，和分別為A、B兩通道的輸入信號幅度，為斜率，為幅度比較輸出，為相位比較輸出。AD8302幅度和相位測量芯片在操作時主要有測量、控制和電平比較三種工作方式，但其主要的功能是測量幅度和相位。當(dāng)芯片輸出管腳和直接跟芯片反饋設(shè)置輸入管腳MSET和PSET相連時，芯片的測量模式將工作在默認(rèn)的斜率和中心點上(精確幅度測量比例系數(shù)為30mV/dB，精確相位測量比例系數(shù)為10mV/度)。實際上，在測量模式下，電路的工作斜率和中心點是可以通過管腳MSET和PSET的分壓來加以修改的。通常在低頻條件下，對幅度和相位進(jìn)行測量的方程式如下： （3.8） （3.9）在幅度測量方程中，表的斜率為30mV/dB，在中心點900mV處，其增益為0dB，-30dB+30dB的增益范圍對應(yīng)于01.8V的輸出電壓范圍；而在相位測量方程中，代表的斜率為10mV/度，中心點900mV所對應(yīng)的相位為90度，0180度的相位范圍對應(yīng)于1.80V的輸出電壓范圍。由于AD8302將幅度和相位測量集中在一塊芯片內(nèi)，使得幅度和相位測量更加方便，由AD8302構(gòu)成的幅度相位檢測電路，如圖3-4-2所示。其中正向傳輸參數(shù)幅度/相位測量單元的J1和J2 SMA連接器分別與被測器件的輸入和輸出端連接，反向參數(shù)幅度/相位測量單元的J1和J2分別與被測器件的輸出和輸入端連接，VMAG和VPHS分別為幅度和相位測量輸出，VREF為參考電壓輸出。圖 3-4-2 幅度相位檢測電路原理圖3.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路由于AD8302的相位測量為10mV/度，為了達(dá)到分辨率0.01，在2.5V參考電壓下，必須選用15位以上的ADC才能滿足性能要求，由于失調(diào)誤差、增益誤差、線性誤差、噪聲干擾和溫度漂移等原因的影響通常的16位ADC在實際并不能達(dá)到16為有效分辨率，這里選用的ADS1217是一個8通道輸入內(nèi)置緩沖器和程控放大器以及DAC的24位Delta-Sigma 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，工作范圍從2.7V5.25V，24位無丟失碼位數(shù)，22位有效分辨率。由ADS1217組成的A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3-5-1所示，模擬部分采用5V電源，數(shù)字部采用3.3V電源。使用內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)源，將基準(zhǔn)電壓正參考輸入端VREF+與基準(zhǔn)電壓輸出引腳VREFOUT相連，基準(zhǔn)電壓負(fù)參考輸入端VREF-與模擬地連接。VRCAP通過基準(zhǔn)源濾波電容C2到地。ADS1217的時鐘源則通過外部一顆2.4576MHz的無源晶振與XIN和XOUT引腳連接，電容C1、C7為了確保晶振啟振以及保持頻率穩(wěn)定。抑制數(shù)字部分噪聲通過地平面影響模擬部分，這里將模擬部分與數(shù)字部分隔離，中間通過電感單點接地。為了確保ADS1217能達(dá)到最佳性能，確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作。該設(shè)計中采用下述方法減少干擾，避免自激，提高放大器的穩(wěn)定性：1.PCB設(shè)計上進(jìn)行電磁兼容處理。嚴(yán)格按信號走向布局布線，縮短信號回路，將3W規(guī)則和地線隔離高頻信號的方式結(jié)合，減少信號的串?dāng)_，通過磁珠吸收電源上的干擾，提高系統(tǒng)信噪比，增加系統(tǒng)抗干擾能力，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。2.模塊布局合理。將各個器件按照信號走向放置，并減小器件之間的連接線長度，減小系統(tǒng)干擾。圖3-5-1 24位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖3.6 Switch電路設(shè)計為了實現(xiàn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在不用拆下被測器件手動連接的情況下自動測量反向傳輸參數(shù)S12、正向傳輸參數(shù)S21，設(shè)計中利用歐姆龍公司的G6W-1P-3，它是一款表貼2.5GHz高頻繼電器。在0120MHz范圍內(nèi)，最大插入耗損0.025dB，隔離度大于80dB。電路圖如圖3-6-1所示。圖3-6-1 Switch電路原理圖第4章 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀軟件設(shè)計矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀軟件設(shè)計分為PC機應(yīng)用軟件設(shè)計和下位機編程兩部分，PC機通過RS-232端口與微控制連接，波特率9600bps。微控制器實現(xiàn)相關(guān)設(shè)置、控制、查詢等功能，并由PC機應(yīng)用軟件提供人機界面，實現(xiàn)掃頻范圍、端口設(shè)置、顯示測量結(jié)果等功能?？刂泼姘宓某绦蚍种ЫY(jié)構(gòu)如圖4-1所示，由3個模塊構(gòu)成。包括一個主界面（From1.frm）、端口設(shè)置模塊（PortSet.frm）、頻率設(shè)置模塊（SignalSet.frm）。每一個模塊對應(yīng)一個窗口。 圖4-1 主程序分支結(jié)構(gòu)圖4.1 PC機應(yīng)用軟件設(shè)計4.1.1 VB程序界面設(shè)計矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的控制面板如圖4-1-1所示：主要完成信號源設(shè)置，測試執(zhí)行狀態(tài)顯示、儀器連接狀態(tài)顯示、工作時鐘設(shè)置、儀器功能設(shè)置、測試控制等功能。波形顯示窗口工作狀態(tài)欄圖4-1-1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的控制面板其中PictureBox控件和MSComm控件是程序里面比較重要的兩個控件。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀波形顯示界面對于整個主界面來說最好用圖片來設(shè)計，這樣就可以波形顯示進(jìn)行很好的控制。由于Visual basic6.0有大量的控件，其中圖片框控件PictureBox 就可以實現(xiàn)。圖片框控件PictureBox可以顯示來自位圖、圖標(biāo)或者圖元文件，以及來自增強的圖元文件、JPEG或者GIF文件的圖形。修改PictureBox控件的屬性可以很方便地調(diào)整波形顯示界面。通過.Line函數(shù)可以很容易的做出需要的波形圖。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀應(yīng)用軟件要實現(xiàn)與跟蹤信號源與數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。就要涉及到用數(shù)據(jù)通信控件。MSComm通信控件提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)通信命令的接口，它允許建立串口連接，可以連接到其它通信設(shè)備（如Modem）、還可以發(fā)送命令、進(jìn)行資料交換以及監(jiān)視和響應(yīng)在通信過程中可能發(fā)生的各種錯誤和事件。因此矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀控制面板由串口通信控制跟蹤信號源與數(shù)據(jù)采集模塊。4.1.2 通信協(xié)議基于儀器通信系統(tǒng)自身的特點，上位機和它進(jìn)行通信，必須滿足其特定的要求。我們采用如下的通信方式: (1)主從方式。上位機為主機，下位機為從機。一般情況下，下位機不能主動給上位機發(fā)送信息。只有上位機給下位機發(fā)出指令后，下位機才能作出應(yīng)答。這樣通過上位機，我們就可以很好地控制整個通信過程。 (2)數(shù)據(jù)幀方式。采用數(shù)據(jù)幀的方式，有利于保證數(shù)據(jù)包的完整性，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)以及命令的接收和處理。在我們的通信系統(tǒng)中，上位機和下位機均采用相同的協(xié)議對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、解包。我們自己定義幀頭為10H1FH，幀尾為9082H，幀標(biāo)志為84H。另外規(guī)定，有效數(shù)據(jù)中若出現(xiàn)90H，則雙寫90H，用以區(qū)別幀尾中的90。數(shù)據(jù)幀格式如下所示: 幀頭標(biāo)識位數(shù)據(jù)位幀尾校驗字。表4-1 幀頭10H跟蹤信號源狀態(tài)11H數(shù)據(jù)采集模塊狀態(tài)12H跟蹤信號源端口1起始頻率13H跟蹤信號源端口1截止頻率14H跟蹤信號源端口2起始頻率15H跟蹤信號源端口2截止頻率16H跟蹤信號源端口1掃頻間隔頻率17H跟蹤信號源端口2掃頻間隔頻率18H跟蹤信號源端口1幅度19H跟蹤信號源端口2幅度1AH數(shù)據(jù)采集模塊衰減倍率1BH保留1CH保留1DH保留1EH跟蹤信號源固件版本1FH數(shù)據(jù)采集模塊固件版本表4-2 幀結(jié)構(gòu)幀頭標(biāo)識位數(shù)據(jù)位幀尾校驗字 另外，在我們的通信過程中，要處理各種不同類型的數(shù)據(jù)，包括Char 型、Float型、Int型等，在有效數(shù)據(jù)前加入標(biāo)識符來識別它們。如84H 06H表示6個浮點數(shù)，F(xiàn)3 05表示5個字符。 (3)校驗和。這是一種簡單而實用的校驗方式。在上位機發(fā)送指令前，自動計算數(shù)據(jù)的和，并將它附在數(shù)據(jù)幀的末端，一起發(fā)送給下位機。下位機在接收到數(shù)據(jù)幀后，先解包，然后再計算一次數(shù)據(jù)和，用它與數(shù)據(jù)幀末端的校驗和進(jìn)行比較。反之亦然。使用這種方式可以檢驗數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中是否發(fā)生了變異。 (4)自動重發(fā)機制。下位機在接收到錯誤的數(shù)據(jù)幀時，將會把該數(shù)據(jù)幀遺棄掉，同時向上位機返回錯誤碼報錯。這時候，該幀數(shù)據(jù)需要重新發(fā)送。如果把重發(fā)任務(wù)交給應(yīng)用程序，程序?qū)⒆兊帽容^復(fù)雜。我們把這個任務(wù)交給控件，可以很輕松的實現(xiàn)重發(fā)功能。在控件內(nèi)部，當(dāng)新的數(shù)據(jù)發(fā)送之前，都將數(shù)據(jù)做一個備份，直到確認(rèn)接收正確了，才將其消除。如果發(fā)現(xiàn)有錯誤，將其再次發(fā)出去。 (5)應(yīng)答方式。在通信過程，下位機對上位機每一幀數(shù)據(jù)都必須做出的應(yīng)答。上位機根據(jù)返回的應(yīng)答判斷通信狀態(tài)，然后進(jìn)行下一步動作。為了安全起見，規(guī)定只有在確認(rèn)前一包指令正確應(yīng)答之后，才可以發(fā)下一包指令。對于非查詢指令(包括全部解釋執(zhí)行指令和部分立即執(zhí)行指令)，下位機收到后，返回該指令的命令字;對于查詢指令，除了返回命令字之外，同時還返回查詢數(shù)據(jù)，如機器人的位置、各軸轉(zhuǎn)角等。如果下位機檢測到數(shù)據(jù)幀有問題，如無幀頭、校驗和錯等，則返回相應(yīng)的錯誤碼。上位機在發(fā)送指令的時候，同時記錄下了該指令的命令字。在接收到下位機返回的應(yīng)答后，將其中的命令字與保留的命令字比較，如果一樣，則說明發(fā)送正確，可以發(fā)送下一條指令;反之，則說明指令發(fā)送有問題，根據(jù)錯誤碼進(jìn)行錯誤處理，并重發(fā)當(dāng)前指令包。指令的發(fā)送和應(yīng)答的接收過程如圖4-1-2所示。MSComm控件事件驅(qū)動通信，OnComm事件捕獲到comEvReceive觸發(fā)后從緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)幀。之后首先判斷數(shù)據(jù)幀的幀頭位、幀尾位的數(shù)據(jù)是否與要求相符合，在符合的情況下再根據(jù)標(biāo)識符的值分別來作出不同的處理。圖4-1-2 發(fā)送指令和接收應(yīng)答流程4.2 下位機軟件設(shè)計在本設(shè)計中微控制器完成的任務(wù)包括：通過串口接收PC應(yīng)用軟件發(fā)送的各種指令并作出響應(yīng)、上載數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)。由于微控制器系統(tǒng)時鐘高達(dá)72MHz，機器周期為13.8ns。與上位機通信波特率9600bps，因此程序部分采用查詢結(jié)構(gòu)即可滿足系統(tǒng)正常要求，保證通訊正常，避免不會發(fā)生丟包現(xiàn)象，程序以模塊化方式編寫，便于調(diào)試和修改。下位機程序的系統(tǒng)流程圖如圖4-2-1所示。程序清單如下：Unsigned Long Data_Acquisition;Data_Acquisition = Get_AD_Data();/獲取24bit AD采樣數(shù)據(jù)Voltage_ Acquisition = 16777216*2500 /(Data_Acquisition);/換算成具體電壓/計算幅度，K為校準(zhǔn)參數(shù)，通過短接PORT1 與PORT2進(jìn)行校準(zhǔn)測量Amplitude = (Voltage_ Acquisition+K) / 30;Phase = (Voltage_ Acquisition+K) / 10;/計算相位圖4-2-1 下位機系統(tǒng)工作流程圖AD9854有40個8位寄存器，包括兩個48位的可編程頻率寄存器，用于存放頻率控制字；兩個14位的可編程相位偏移寄存器，用于存放相位控制字；雙12位可編程幅度控制寄存器和監(jiān)控可編程幅度漸變開關(guān)功能；32位控制寄存器，可通過設(shè)置控制字選擇工作模式和倍頻控制字。在電路中AD9854的參考時鐘采用30MHz有源晶振，設(shè)計選擇的是單音工作模式和8倍頻。式（2.3）為頻率轉(zhuǎn)換公式： （2.3）式中，為輸出頻率；為采樣時鐘的頻率；為相位累加器位數(shù)；為頻率控制字，通過改變頻率控制字即可改變輸出頻率。微控制器向AD9854輸出數(shù)據(jù)的寫時序如圖4-2-2。在控制跟蹤信號源時，AD9854控制需嚴(yán)格按照的時序要求。其控制軟件流程圖如圖4-2-3所示。A1A2A3D1D2D3A5:0D7:0/WR圖4-2-2 AD9854操作時序圖 4-2-3 AD9854控制軟件流程圖程序清單如下：unsigned int dac_value;/引腳初始化，三個口均為強上拉輸出模式GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_ALL);SET_OR();/OR=1SET_RD();/RD=1SET_WR();/WR=1/復(fù)位DDSCLR_RST();/RST = 0delay(10);/延時程序SET_RST();/RST = 1delay(10);/延時程序CLR_RST(); /RST = 0delay(10);/延時程序Write_Reg(0x1E,0x4A); /倍頻器控制Write_Reg(0x1D,0x00); /節(jié)電控制寄存器/傳輸模式和OSK控制Write_Reg(0x20,0x60);/輸出幅度乘法器I,滿幅Write_Reg(0x21,0xFF);Write_