矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

1、. 摘要本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)基于AD9854和STM32F103的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，該儀器用于測(cè)量二端口線性非時(shí)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(hào)源作為被測(cè)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(diǎn)；本儀器能測(cè)量的頻率特性范圍1Hz-120MHz，動(dòng)態(tài)范圍60dB，相頻特性測(cè)量的分辨力為0.01度。另外還可進(jìn)行測(cè)量中的誤差校正，非線性自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ?。并編?xiě)了用于PC端的應(yīng)用軟件，能直觀地顯示被測(cè)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??；采用簡(jiǎn)單明了的控制面板，提高了人機(jī)界面的友好

2、度，經(jīng)實(shí)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-invar

3、iant, 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 mea

4、surement 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

5、摘要IAbstractII第1章 緒 論11.1 歷史及應(yīng)用背景11.2 國(guó)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4網(wǎng)絡(luò)分析概述4微波網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)52.2網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)6標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀7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(jì)93.1 總體方案設(shè)計(jì)93.2 微控制器接口電路設(shè)計(jì)93.3 跟蹤信號(hào)源9直接數(shù)字頻率合成(DDS) 技術(shù)10跟蹤信號(hào)源的設(shè)計(jì)113.4 幅度/相位檢測(cè)電路133.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路153.6 Switch電路設(shè)計(jì)16第4章 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀軟件設(shè)計(jì)174.1 PC機(jī)應(yīng)用軟件

6、設(shè)計(jì)174.1.1 VB程序界面設(shè)計(jì)174.1.2 通信協(xié)議184.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)源電路圖29第1章 緒 論1.1 歷史及應(yīng)用背景在無(wú)線電測(cè)量中，經(jīng)常需要測(cè)量設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)的阻抗和傳輸特性，這里所說(shuō)的傳輸特性，主要是指：增益和衰減、幅頻特性、相位特性和時(shí)延特性。早期的頻率信號(hào)源主要靠機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)，即通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)改變振蕩部分的諧振回路來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種機(jī)械式頻率調(diào)諧信號(hào)源都是按照“點(diǎn)頻”方式工作，也就是

7、每次只能輸出單一頻率的連續(xù)波信號(hào)，改方法即為“點(diǎn)頻測(cè)量”：測(cè)量元器件在一定頻率范圍內(nèi)的傳輸特性時(shí)，必須將信號(hào)源的頻率依次調(diào)諧到指定頻點(diǎn)上，并分別測(cè)量各點(diǎn)上的參數(shù)之后，才能將各點(diǎn)數(shù)據(jù)連成完整曲線。點(diǎn)頻測(cè)量方法很簡(jiǎn)單，但它存在明顯的缺陷：首先，點(diǎn)頻測(cè)量所得的頻率特性是靜態(tài)的，無(wú)法反映信號(hào)的連續(xù)變化。當(dāng)涉及的頻帶較寬、頻點(diǎn)較多時(shí)，這種測(cè)量法顯然極其繁瑣、費(fèi)時(shí)、工作效率低。同時(shí)，測(cè)量頻點(diǎn)選擇的疏密程度不同對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大的影響，特別是對(duì)于某些特性曲線的銳變部分以及個(gè)別失常點(diǎn)，很可能由于測(cè)量頻率點(diǎn)選取不到或不足而使得測(cè)量結(jié)果不能反映真實(shí)結(jié)果。基于上述原因，出現(xiàn)了掃頻測(cè)量，將間斷的點(diǎn)頻測(cè)量改為連續(xù)的掃頻測(cè)

8、量，經(jīng)過(guò)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(gè)頻帶內(nèi)的傳輸特性曲線，大大提高了工作效率和測(cè)試質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)分析儀就是在掃頻測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的智能化儀器。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是全面測(cè)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(cè)量網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性又可測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的相頻特性。按照測(cè)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(cè)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(cè)量線性非時(shí)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(cè)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(hào)的幅度、相位和群延遲，微波元件

9、的絕對(duì)輸入和輸出功率。1.2 國(guó)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(gè)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(gè)最基本測(cè)試系統(tǒng)需要四個(gè)重要組成部分，按信號(hào)走向依次為激勵(lì)信號(hào)源、S參數(shù)測(cè)試裝置、高靈敏度幅相接收機(jī)和校準(zhǔn)件。其主要優(yōu)點(diǎn)是在組成測(cè)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(lì)信號(hào)源、幅相接受機(jī)等部分的有機(jī)組合。國(guó)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(guó)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(cè)量頻率范圍：45MHz26.5GHz。1989年，同軸

10、S參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)上限頻率擴(kuò)展到40GHz。1990年，毫米波波導(dǎo)反射月專輸測(cè)試裝置工作頻段擴(kuò)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(kuò)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(lái)，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(chǎng)上高頻和射頻的矢最網(wǎng)絡(luò)分析儀主要是美國(guó)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

11、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(gè)快速合成信號(hào)源與綜合測(cè)試裝置結(jié)合在一起，它們能對(duì)傳輸和反射信號(hào)的幅度、相位和群延遲進(jìn)行快速、精確的測(cè)量，能測(cè)量微波元件的絕對(duì)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(wú)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(shí)包括

12、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(guó)內(nèi)41所成功研制的AV3615分體式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)量頻率范圍：45MHz26.5GHz。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀屬于臺(tái)式儀器中性能最高和價(jià)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(shí)際上只有兩家, 可見(jiàn)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(cè)量又是電路設(shè)計(jì)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(lái)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(lái)最

13、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(cè)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(lái)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(cè)量的是幅度和相位, 而標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀只測(cè)量幅值。阻抗特性由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)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(jì)、生產(chǎn)至維修都不可缺少的測(cè)量?jī)x器。因此，開(kāi)發(fā)出高性價(jià)比的矢量網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分析儀，保持與國(guó)外同類產(chǎn)品在性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)，打破國(guó)外技術(shù)壟斷和封鎖，對(duì)發(fā)展我國(guó)電子產(chǎn)業(yè)有非常重大的意義，加緊對(duì)這類產(chǎn)品的研制顯示得非常緊迫，在本設(shè)計(jì)中采用

14、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(cè)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(jī)性價(jià)比。1.4本課題介紹本儀器是一種智能化的測(cè)量?jī)x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(duì)測(cè)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(hào)源作為被測(cè)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(diǎn)；并編寫(xiě)了用于PC端的應(yīng)用軟件，能直觀地顯示被測(cè)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小；另外

15、還可進(jìn)行測(cè)量中的誤差校正，非線性自動(dòng)補(bǔ)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(jì)出矢量網(wǎng)絡(luò)分析整機(jī)系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和測(cè)量的精度，在方案論證階段，利用各種仿真軟件對(duì)各個(gè)測(cè)量模塊進(jìn)行功能仿真和驗(yàn)證。利用Cadence Allegro軟件對(duì)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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和測(cè)量的精度。該矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于測(cè)量雙端口線性非時(shí)變網(wǎng)絡(luò)的頻率特性，包括傳輸和反射信號(hào)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(cè)量：-62dbm-2dbm(50負(fù)載阻抗) 幅度/相位精確度：0.5dB/1

16、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)分析基本概念網(wǎng)絡(luò)分析概述這里所說(shuō)的網(wǎng)絡(luò)，并不是指通常大家所熟知的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，而是對(duì)實(shí)際物理電路和元件的一種數(shù)學(xué)抽象，用來(lái)研究外部特性：系統(tǒng)中元件的作用可以通過(guò)對(duì)它激勵(lì)信號(hào)的傳輸及反射特性來(lái)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(shí)，元件的特性也就因此完全確定。網(wǎng)絡(luò)分析就是通過(guò)掃頻測(cè)量精確獲知元件的幅頻特性和相頻特性的方法。頻譜測(cè)量所表征的是電路單元中存在的信號(hào)特性，而網(wǎng)絡(luò)測(cè)量所表征的則是電路單元組成的系統(tǒng)特性。例如，對(duì)一個(gè)濾波器輸出的相位噪聲或寄生頻率分量，可以用頻譜儀

17、來(lái)測(cè)量、而要了解個(gè)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(cè)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(shí)，常常會(huì)發(fā)現(xiàn)純粹的線性網(wǎng)絡(luò)仍可能導(dǎo)致信號(hào)的畸變。線性網(wǎng)絡(luò)的確能夠改變信號(hào)頻譜分量的幅度和相位關(guān)系，從而使時(shí)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(hào)的幅度和(或)相位值，不會(huì)產(chǎn)生新的信號(hào)；而有源和無(wú)源非線性器件則會(huì)改變輸人信號(hào)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(guò)載時(shí)輸出信號(hào)會(huì)因?yàn)轱柡投弧跋黜敗保也辉偈羌冋也?，還會(huì)出現(xiàn)頻率數(shù)倍于輸人信號(hào)的諧波分量。圖1-1 非線性失真 如果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘?hào)沒(méi)有產(chǎn)生失真，DUT的幅頻響應(yīng)特

18、性曲線應(yīng)該是平坦的，相頻響應(yīng)曲線應(yīng)在整個(gè)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(cè)量方法進(jìn)行頻率特性的定量分析。對(duì)于非線性網(wǎng)絡(luò)，通常使用頻譜分析儀來(lái)測(cè)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(cè)量，信道A測(cè)量反射波，信道B測(cè)量傳輸波。通過(guò)比值測(cè)量，我們可以獲得相對(duì)/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(shí)具有幅度和相位信息，因此可以對(duì)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(shí)包含幅度和相位信息）、標(biāo)量（僅包含幅度信息）或僅

19、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(jiǎn)稱RL）是反射系數(shù)的對(duì)數(shù)表征形式，單位為dB。對(duì)于特征阻抗為的傳輸線，在終接匹配負(fù)載時(shí)沒(méi)有發(fā)生發(fā)射；當(dāng)負(fù)載阻抗時(shí)，會(huì)因?yàn)槭涠a(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(jiǎn)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(wú)反射時(shí)，當(dāng)全反射時(shí) 。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(lái)表述網(wǎng)絡(luò)特性，這些參數(shù)的定義都是基于

20、電壓、電流的概念，測(cè)量時(shí)需要在特定的端口條件下（如開(kāi)路、短路）測(cè)出對(duì)應(yīng)的電壓和電流，由此確定各參數(shù)，而在高頻中，很難測(cè)量器件端口的電壓和電流。由于探頭自身阻抗不能簡(jiǎn)單的通過(guò)連接電壓表或者電流表探頭進(jìn)行精確測(cè)量，同時(shí)很難在期望的位置放置探頭。并且動(dòng)態(tài)器件可能因?yàn)檫B接探頭短路和開(kāi)路而震蕩或損壞。由此必須找到一種方法適合微波測(cè)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(gè)S參數(shù)表征其端口特性，對(duì)n端口網(wǎng)絡(luò)需要n2個(gè)S參數(shù)。如圖2-2所示，DUT稱為被測(cè)器件（Device Under Test），外部帶箭頭用來(lái)表示DUT端口信號(hào)流向。當(dāng)入射波a1進(jìn)入端口1時(shí)其中有一

21、部分由于端口失配而反射回來(lái)，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(huì)因?yàn)槭浞瓷浠貋?lái)，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(gè)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(gè)數(shù)字下標(biāo)中，第一個(gè)代表波出射端口，第二個(gè)代表波入射端口。則S11是端口2匹配時(shí)端口1的反射系數(shù)；則S22是端口1匹配時(shí)端口2的反射系數(shù)；S21是端

22、口2匹配時(shí)的正向傳輸系數(shù)；S12是端口1匹配時(shí)的反向傳輸系數(shù)。所有S參數(shù)同時(shí)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(bào)損耗等反射參數(shù)，以及增益、衰減、傳輸系數(shù)、相移。群時(shí)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(shí)：（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(cè)量是電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的工具之一。線性網(wǎng)絡(luò)的頻率特性測(cè)量應(yīng)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀(Network Analyzer，簡(jiǎn)稱NA)實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)

23、分析儀能夠完成反射、傳輸兩種基本測(cè)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。現(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(cè)量S參數(shù)為基礎(chǔ)，這是因?yàn)镾參量的測(cè)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(cè)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(cè)得的S參量計(jì)算出來(lái)。它的出現(xiàn)替代了過(guò)去模擬測(cè)量濾波器、放大器的方法，使測(cè)量工作變得更為自動(dòng)化和精確。網(wǎng)絡(luò)分析儀最常見(jiàn)的應(yīng)用時(shí)進(jìn)行雙端口網(wǎng)絡(luò)散射矩陣（S矩陣）測(cè)量，如圖2-1-2所示?；镜木W(wǎng)絡(luò)分析儀主要由信號(hào)源、S參量測(cè)量裝置及矢量電壓表組成。通過(guò)

24、信號(hào)源在端口1上對(duì)被測(cè)器件DUT進(jìn)行激勵(lì)（入射波為）圖2-1-1 S散射矩陣測(cè)量信號(hào)源：向被測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供入射信號(hào)或激勵(lì)；S參量測(cè)量裝置：實(shí)際上是反射測(cè)量電路與傳輸測(cè)量電路的組合，首先將入射、反射及傳輸信號(hào)分離開(kāi)，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)分別進(jìn)行測(cè)量；矢量電壓表：測(cè)量入射、反射和傳輸信號(hào)的幅值及它們之間的相位差。也可以通過(guò)幅相接收機(jī)實(shí)現(xiàn)此功能。圖2-1-2 矢量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)常見(jiàn)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(cè)量輸入/輸出DUT的信號(hào)的最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的途徑。由于檢波器無(wú)法獲得相位信息，因此只能測(cè)得S參數(shù)的幅值，故名標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

25、其實(shí)對(duì)很多應(yīng)用場(chǎng)合，僅有幅度值已經(jīng)足夠了。圖2-2-1所示為一個(gè)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(cè)量通道分別為R(參考)、A、B。通過(guò)這些信號(hào)可以確定正向S參數(shù)、。再將被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)端與測(cè)試端反接，同理可測(cè)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(cè)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)

26、絡(luò)分析儀的基本結(jié)構(gòu)，實(shí)際上它實(shí)際上與超外差接收機(jī)非常類似。為了給出相位測(cè)量提供參考信號(hào)，信號(hào)源使用鎖相環(huán)輸出的本振來(lái)激勵(lì)DUT，該本振信號(hào)還同時(shí)用于頻率變換中。參考信號(hào)即入射波，通過(guò)R通道進(jìn)行測(cè)量；反射波、傳輸波所在的測(cè)試通道分別為A、B；掃頻源一方面為DUT提供激勵(lì)，一方面可以作為單獨(dú)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(duì)混頻所得的中頻信號(hào)采樣和數(shù)字化，然后通過(guò)數(shù)字處理的方法實(shí)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(jì)3.1 總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要由微控制器、跟蹤信號(hào)源、多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器、幅度/相位檢測(cè)等四個(gè)部分組成，其

27、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(jī)在發(fā)出掃頻指令后，微控制接收來(lái)自PC端口的命令，控制跟蹤信號(hào)源產(chǎn)生掃頻控制信號(hào)，控制標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)的頻率，頻率范圍為：1Hz100MHz。信號(hào)輸出端PORT1與PORT2過(guò)同軸電纜與被測(cè)器件（DUT）連接，同時(shí)在Switch的作用下一對(duì)AD8302分別對(duì)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(cè)量，通過(guò)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(jì)本設(shè)計(jì)選用的是基于突破性的ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列32位單時(shí)鐘指

28、令周期閃存微控制器，在主時(shí)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(kāi)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(xiàng)改進(jìn)，包括提升性能的同時(shí)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(shí)具有業(yè)界最優(yōu)的功耗水平。它提供了一個(gè)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(shí)保持了高度的集成性能和簡(jiǎn)易的開(kāi)發(fā)特性。非常適合電池供電設(shè)計(jì)，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(kāi)發(fā)具有開(kāi)放性和擴(kuò)展性的特點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中微控制器選用具有512KB Flash存儲(chǔ)器，64KB SRAM的S

29、TM32F103ZET6，采用8MHz無(wú)源晶體振蕩器作為外部時(shí)鐘輸入，內(nèi)部時(shí)鐘鎖相環(huán)9倍頻，因此主時(shí)鐘為72MHz，電路圖見(jiàn)附錄一。3.3 跟蹤信號(hào)源在無(wú)線電測(cè)量中，經(jīng)常需要測(cè)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(cè)量二端口線性非時(shí)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(cè)量的關(guān)鍵是產(chǎn)生頻率步進(jìn)的信號(hào)源，該信號(hào)源的頻率、幅度及相位應(yīng)能精確測(cè)定。以往的跟蹤信號(hào)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(shí)間長(zhǎng)、頻率精度不高、硬件耗費(fèi)比較大等問(wèn)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(jī)和直接數(shù)字頻率合成(DDS)芯片為核心構(gòu)成的DD

30、S跟蹤信號(hào)源應(yīng)運(yùn)而生。與其它頻率合成方法相比，DDS技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：分辨率高；頻率轉(zhuǎn)換速度快；頻率切換時(shí)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(duì)信號(hào)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(shí)鐘振蕩器，基本不受系統(tǒng)其他部分的影響。現(xiàn)在，DDS 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于本振、信號(hào)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(cè)量系統(tǒng)中的頻率合成器，必將大大提高整個(gè)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

31、-1所示。相位累加器波形存儲(chǔ)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(shí)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(hào)的相位與時(shí)間呈線性關(guān)系的特性，通過(guò)查表的方式得到信號(hào)的瞬時(shí)幅值，從而實(shí)現(xiàn)頻率合成。為了輸出一定頻率的信號(hào)，在每一個(gè)時(shí)鐘周期中，存儲(chǔ)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(guò)查詢將相位信息轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的正弦幅度值， 產(chǎn)生數(shù)字化正弦信號(hào)。相位增量值與輸出信號(hào)頻率fout和參考時(shí)鐘頻率之間的關(guān)系為： （3.1）式中，N是相位累加器的字長(zhǎng)。由

32、公式（3.1）知，相位增量值與輸出信號(hào)頻率成正比。由取樣定理，DDS所產(chǎn)生的信號(hào)頻率不能超過(guò)時(shí)鐘頻率的一半，在實(shí)際運(yùn)用中，為了保證信號(hào)的輸出質(zhì)量，輸出頻率不要高于時(shí)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(hào)源頻率分辨率直接取決于DDS 的頻率分辨率，計(jì)算公式如下 （3.2） （3.3）3.3.2跟蹤信號(hào)源的設(shè)計(jì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用來(lái)測(cè)量二端口線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)的頻率特性。頻率特性是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)一系列正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性。被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸入幅度為，角頻率為的正弦信號(hào)，對(duì)于線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)，其穩(wěn)態(tài)輸出也是正弦信號(hào)，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

33、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(hào)源為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供激勵(lì)，根據(jù)測(cè)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(shí)相位保持連續(xù)的正弦波。本設(shè)計(jì)掃頻范圍為10Hz120MHz，采用美國(guó)AD 公司的DDS 芯片AD9854，用微控制器作控制器，實(shí)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(shí)鐘下，頻率分辨率可達(dá)1uHz）。輸出17位相位截?cái)啾ＷC了良好的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)。器件有兩個(gè)14位相位寄存器和一個(gè)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

34、D/A轉(zhuǎn)換器可以提供較大的帶寬并有較好的窄帶無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）。300M系統(tǒng)時(shí)鐘通過(guò)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(jī)對(duì)DDS 進(jìn)行控制，構(gòu)成跟蹤信號(hào)源的電路非常簡(jiǎn)捷，其電路方框圖見(jiàn)圖3-3-2（電路圖見(jiàn)附錄二）。圖 3-3-2 掃頻信號(hào)源系統(tǒng)框圖該電路由微控制器、DDS、參考時(shí)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(hào)源中的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)濾除輸出信號(hào)中所含有的高頻雜散信號(hào)和諧波信號(hào)，輸出純凈的正弦波。DDS的輸出雜散有三個(gè)主要來(lái)源：N比特相位累加器只輸出高M(jìn)位對(duì)ROM 進(jìn)行尋址；ROM存儲(chǔ)的幅值編碼僅為有限位；D

35、AC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(jì)中，最高頻率輸出是120MHz，采用了300MHz 的參考時(shí)鐘，使諧波信號(hào)頻率遠(yuǎn)離輸出信號(hào)頻率，減小對(duì)低通濾波器的要求。這里設(shè)計(jì)了一個(gè)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(jiàn)圖3-3-4與3-4-5寬帶放大器選用低噪聲運(yùn)放，對(duì)DDS 輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，以達(dá)到跟蹤信號(hào)源的要求。AD9854是超大規(guī)模CMOS器件，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量要求比較高，時(shí)鐘信號(hào)波形應(yīng)良好，時(shí)鐘信號(hào)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

36、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(kāi)，利用磁珠隔離。選用ST公司生產(chǎn)的低功耗處理器STM32F103ZET6對(duì)DDS的邏輯和輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(cè)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(cè)量的單片集成電路，它能同時(shí)測(cè)量從低頻到2.7GHz頻

37、率范圍內(nèi)兩輸入信號(hào)之間的幅度比和相位差。該器件將精密匹配的兩個(gè)對(duì)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(cè)量時(shí)，其動(dòng)態(tài)范圍可擴(kuò)展到60dB，而相位測(cè)量范圍則可達(dá)180度。AD8302具有以下主要特點(diǎn)： 可在低頻到2.7GHz頻率范圍內(nèi)測(cè)量幅度和相位； 對(duì)于50的測(cè)量系統(tǒng)，其輸入范圍為-62dBm-2dBm； 精確幅度測(cè)量比例系數(shù)為30mV/dB，精確典型值小于0.5dB； 精確相位測(cè)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(shí)，具有測(cè)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；

38、 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(gè)寬帶對(duì)數(shù)檢波器、一個(gè)相位檢波器、輸出放大器組、一個(gè)偏置單元和一個(gè)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(cè)量原理主要基于對(duì)數(shù)放大器的對(duì)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(duì)數(shù)放大器的對(duì)數(shù)壓縮原理，并通過(guò)精密匹配的兩個(gè)寬帶對(duì)數(shù)檢波器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩輸入通道信號(hào)的幅度和相位的測(cè)量，其幅度和相位測(cè)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(hào)幅度，為斜率，為幅度比較輸

39、出，為相位比較輸出。AD8302幅度和相位測(cè)量芯片在操作時(shí)主要有測(cè)量、控制和電平比較三種工作方式，但其主要的功能是測(cè)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(shí)，芯片的測(cè)量模式將工作在默認(rèn)的斜率和中心點(diǎn)上(精確幅度測(cè)量比例系數(shù)為30mV/dB，精確相位測(cè)量比例系數(shù)為10mV/度)。實(shí)際上，在測(cè)量模式下，電路的工作斜率和中心點(diǎn)是可以通過(guò)管腳MSET和PSET的分壓來(lái)加以修改的。通常在低頻條件下，對(duì)幅度和相位進(jìn)行測(cè)量的方程式如下： （3.8） （3.9）在幅度測(cè)量方程中，表的斜率為30mV/dB，在中心點(diǎn)900mV處，其增益為0dB，-30dB+30dB的增益范

40、圍對(duì)應(yīng)于01.8V的輸出電壓范圍；而在相位測(cè)量方程中，代表的斜率為10mV/度，中心點(diǎn)900mV所對(duì)應(yīng)的相位為90度，0180度的相位范圍對(duì)應(yīng)于1.80V的輸出電壓范圍。由于AD8302將幅度和相位測(cè)量集中在一塊芯片內(nèi)，使得幅度和相位測(cè)量更加方便，由AD8302構(gòu)成的幅度相位檢測(cè)電路，如圖3-4-2所示。其中正向傳輸參數(shù)幅度/相位測(cè)量單元的J1和J2 SMA連接器分別與被測(cè)器件的輸入和輸出端連接，反向參數(shù)幅度/相位測(cè)量單元的J1和J2分別與被測(cè)器件的輸出和輸入端連接，VMAG和VPHS分別為幅度和相位測(cè)量輸出，VREF為參考電壓輸出。圖 3-4-2 幅度相位檢測(cè)電路原理圖3.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路由

41、于AD8302的相位測(cè)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(shí)際并不能達(dá)到16為有效分辨率，這里選用的ADS1217是一個(gè)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(wú)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

42、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(guò)基準(zhǔn)源濾波電容C2到地。ADS1217的時(shí)鐘源則通過(guò)外部一顆2.4576MHz的無(wú)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(guò)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(guò)電感單點(diǎn)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(jì)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(jì)上進(jìn)行電磁兼容處理。嚴(yán)格按信號(hào)走向布局布線，縮短信號(hào)回路，將3W規(guī)則和地線隔離高頻信號(hào)的方式結(jié)合，減少信號(hào)的串?dāng)_，通過(guò)磁珠吸收電源

43、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(gè)器件按照信號(hào)走向放置，并減小器件之間的連接線長(zhǎng)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(jì)為了實(shí)現(xiàn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在不用拆下被測(cè)器件手動(dòng)連接的情況下自動(dòng)測(cè)量反向傳輸參數(shù)S12、正向傳輸參數(shù)S21，設(shè)計(jì)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(jì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀軟件設(shè)計(jì)分為PC機(jī)應(yīng)用軟

44、件設(shè)計(jì)和下位機(jī)編程兩部分，PC機(jī)通過(guò)RS-232端口與微控制連接，波特率9600bps。微控制器實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)置、控制、查詢等功能，并由PC機(jī)應(yīng)用軟件提供人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)掃頻范圍、端口設(shè)置、顯示測(cè)量結(jié)果等功能。控制面板的程序分支結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，由3個(gè)模塊構(gòu)成。包括一個(gè)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(gè)模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)窗口。圖4-1 主程序分支結(jié)構(gòu)圖4.1 PC機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì) VB程序界面設(shè)計(jì)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(hào)源設(shè)置，測(cè)試執(zhí)行狀態(tài)顯示、儀器連接狀態(tài)顯示、工作時(shí)鐘設(shè)置、儀器功能設(shè)置

45、、測(cè)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(gè)控件。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀波形顯示界面對(duì)于整個(gè)主界面來(lái)說(shuō)最好用圖片來(lái)設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)。圖片框控件PictureBox可以顯示來(lái)自位圖、圖標(biāo)或者圖元文件，以及來(lái)自增強(qiáng)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(guò).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

46、要實(shí)現(xiàn)與跟蹤信號(hào)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(guò)程中可能發(fā)生的各種錯(cuò)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(hào)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(diǎn)，上位機(jī)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(jī)為主機(jī)，下位機(jī)為從機(jī)。一般情況下，下位機(jī)不能主動(dòng)給上位機(jī)發(fā)送信息。只有上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)出指令后，下位機(jī)才能作出應(yīng)答。這樣通過(guò)上位機(jī)，

47、我們就可以很好地控制整個(gè)通信過(guò)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(jī)和下位機(jī)均采用相同的協(xié)議對(duì)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(xiě)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(shí)位數(shù)據(jù)位幀尾校驗(yàn)字。表4-1 幀頭10H跟蹤信號(hào)源狀態(tài)11H數(shù)據(jù)采集模塊狀態(tài)12H跟蹤信號(hào)源端口1起始頻率13H跟蹤信號(hào)源端口1截止頻率14H跟蹤信號(hào)源端口2起始頻率15H跟蹤信號(hào)源端口2截止頻率16H跟蹤信號(hào)源端口1掃頻間隔

48、頻率17H跟蹤信號(hào)源端口2掃頻間隔頻率18H跟蹤信號(hào)源端口1幅度19H跟蹤信號(hào)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(hào)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(shí)位數(shù)據(jù)位幀尾校驗(yàn)字 另外，在我們的通信過(guò)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(shí)符來(lái)識(shí)別它們。如84H 06H表示6個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，F(xiàn)3 05表示5個(gè)字符。 (3)校驗(yàn)和。這是一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的校驗(yàn)方式。在上位機(jī)發(fā)送指令前，自動(dòng)計(jì)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(jī)。下位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)幀后，先解包，然后再計(jì)算一次數(shù)

49、據(jù)和，用它與數(shù)據(jù)幀末端的校驗(yàn)和進(jìn)行比較。反之亦然。使用這種方式可以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^(guò)程中是否發(fā)生了變異。 (4)自動(dòng)重發(fā)機(jī)制。下位機(jī)在接收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀時(shí)，將會(huì)把該數(shù)據(jù)幀遺棄掉，同時(shí)向上位機(jī)返回錯(cuò)誤碼報(bào)錯(cuò)。這時(shí)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(gè)任務(wù)交給控件，可以很輕松的實(shí)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(gè)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(cuò)誤，將其再次發(fā)出去。 (5)應(yīng)答方式。在通信過(guò)程，下位機(jī)對(duì)上位機(jī)每一幀數(shù)據(jù)都必須做出的應(yīng)答。上位機(jī)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(dòng)作。為了安全起見(jiàn)，規(guī)定只有在

50、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(duì)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(jī)收到后，返回該指令的命令字;對(duì)于查詢指令，除了返回命令字之外，同時(shí)還返回查詢數(shù)據(jù)，如機(jī)器人的位置、各軸轉(zhuǎn)角等。如果下位機(jī)檢測(cè)到數(shù)據(jù)幀有問(wèn)題，如無(wú)幀頭、校驗(yàn)和錯(cuò)等，則返回相應(yīng)的錯(cuò)誤碼。上位機(jī)在發(fā)送指令的時(shí)候，同時(shí)記錄下了該指令的命令字。在接收到下位機(jī)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(shuō)明發(fā)送正確，可以發(fā)送下一條指令;反之，則說(shuō)明指令發(fā)送有問(wèn)題，根據(jù)錯(cuò)誤碼進(jìn)行錯(cuò)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(guò)程如圖4-1-2所示。MSComm控件事件驅(qū)動(dòng)通信，

51、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(shí)符的值分別來(lái)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(jī)軟件設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中微控制器完成的任務(wù)包括：通過(guò)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(shí)鐘高達(dá)72MHz，機(jī)器周期為13.8ns。與上位機(jī)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(huì)發(fā)生丟包現(xiàn)象，程序以模塊化方式編寫(xiě)，便于調(diào)試和修改。下位機(jī)程序的系統(tǒng)流程圖如圖4-2

52、-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(jì)算幅度，K為校準(zhǔn)參數(shù)，通過(guò)短接PORT1 與PORT2進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量Amplitude = (Voltage_ Acquisition+K) / 30;Phase = (Voltage_ Acquisition+K) / 10;/計(jì)算相位圖4-2-1 下位機(jī)系統(tǒng)工作流程圖AD9854有

53、40個(gè)8位寄存器，包括兩個(gè)48位的可編程頻率寄存器，用于存放頻率控制字；兩個(gè)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(kāi)關(guān)功能；32位控制寄存器，可通過(guò)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(shí)鐘采用30MHz有源晶振，設(shè)計(jì)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(shí)鐘的頻率；為相位累加器位數(shù)；為頻率控制字，通過(guò)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(xiě)時(shí)序如圖4-2-2。在控制跟蹤信號(hào)源時(shí)，AD9854控制需嚴(yán)格按照的時(shí)序要求。其控制軟件流

54、程圖如圖4-2-3所示。A1A2A3D1D2D3A5:0D7:0/WR圖4-2-2 AD9854操作時(shí)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(gè)口均為強(qiáng)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(shí)程序SET_RST();/RST = 1delay(10);/延時(shí)程序CLR_RST(); /RST = 0delay(10);/延

55、時(shí)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_Reg(0x22,0xFF);/輸出乘法器Q,滿幅Write_Reg(0x23,0xFF);Write_Reg(0x24,0xFF);/輸入兩個(gè)頻率值Write_Freq1(1000000);Write_Freq2(4000000); 第5章 系統(tǒng)調(diào)試首先單獨(dú)調(diào)試跟蹤信號(hào)源與數(shù)據(jù)采集模塊，然后測(cè)試基本的通訊操作對(duì)模塊進(jìn)行幾本控制與操作。保證模塊中各個(gè)器件供電正確，接著通過(guò)PC機(jī)與模塊通信來(lái)調(diào)試和完善驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序調(diào)試完成后，再和控