全国大学生电子设计竞赛e题.docx
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全国大学生电子设计竞赛e题
2015全国大学生电子设计竞赛(e题)
摘要
据题目要求,我们设计了以锁相环为基础的高速频谱分析仪。
该频谱分析仪能够对高频信号进行有效的频谱特性分析,有高速测量、输入带宽高、转化低频段测量等优点。
分析仪其由鉴相器、DDS模块、高速分频器、环路滤波器、压控振荡器、高速低幅混频器和低通滤波器以及一块自带DSP库可用快速傅里叶变换的stm32f407最小系统版。
其中为了符合题目要求,用压控振荡器为核心,采用分频器预分频并且和以DDS为核心的外部振荡源进行比较鉴相,并且通过低通滤波反馈给压控振荡器,构成闭环回路。
此回路的输出既为要求的本振源,并且和被测信号进行混频,尔后通过滤波,被单片机采样。
并且利用单片机内部的DSP模块进行快速的傅里叶变换,从而得到被测信号的部分频谱特性。
再尔让DDS扫频输出,从而得到大量数据,构成完整的80MHz到100MHz的完整频谱特性曲线。
此后,将数据转化,在TFT屏上进行显示。
就此,扫尾完成。
关键词:
高频;闭环控制;锁相稳频;快速傅里叶变换
80MHz~100MHz频谱分析仪(E题)
【本科组】
1.系统方案
本频谱fenxiyi系统主要由鉴相器模块、分频器模块、回路滤波模块、可控振荡源模块、混频器模块、有源低通滤波模块组成,下面分别论证这几个模块的选择。
1.1鉴相器模块的论证与选择
方案一:
BH141射频器
数控调频发射器可在80.0MHZ至109.9MHZ范围内任意设置发射频率,可预置13个频道,发射频率调整最小值为0.1MHZ,具有单声道/立体声控制。
但是由于步进并不是稳定的100khz,需要有相应的晶振或者外部振荡源作为参考源。
所以暂搁此方案。
方案二:
MC145152鉴相器。
MC145152-2芯片是摩托罗拉公司生产的锁相环频率合成器专用芯片.内部自带双模分频器,可对参考源分频。
并且也可对输入信号进行3到1023倍的分频。
它有两路鉴相信号输出,其中,ФR、ФV用来输出鉴相误差信号,LD用来输出相位锁定信号。
所以可方便的对相位锁定过程进行观察。
综合以上二种方案,选择方案二.
1.2分频器模块
方案一:
采用MC12017
MC12017是一款双分频选项的高速分频器,具有32和33两种分频模式。
并且输出为偏置电压,可完美符合后置电路。
方案二:
采用74hc4046
14位二进制异步计数器74HC4060,最高可至95M.但个题目要求不符,所以舍弃。
综合以上三种方案,选择方案一。
1.3回路滤波模块
方案一:
有源比例积分滤波。
在高频时有一定的增益,这对PLL捕捉有利,并且引入了一个零点,增加了环路稳定性。
但是设计有难度,设计自动控制原理迟滞特性。
方案二:
三阶无源环路滤波器
此方案简单,而且能够满足vco所需的最低电压要求,并且阶数较高,可显著降低基准频率带来的纹波。
故选择方案二。
1.4、可控振荡源模块
方案一:
采用MC1648
MC1648具有功耗低,输出频率大,外部电路简单等特点。
方案二:
采用分离元件搭建
可以很好的满足题目的要求,但是线路复杂,所以不考虑。
根据现有电路和材料及性能综合考虑,采用方案一。
1.5混频器模块
方案一:
ne602
Ne602内含双平衡振荡器(DBM)、振荡器和稳压器。
可作为乘法器。
但是无法熟练使用,故放弃。
方案二:
AD831
具有500MhzRF和LO输入带宽,并且以250Mhz的差分IF输出的地是真混频器。
使用了单电源供电,并且有成熟的使用原理图。
综合考虑采用方案一。
1.6有源低通滤波模块
方案:
采用二阶低通滤波
巴特斯沃滤波电路在小于截至频率cω的范围内,具有最平幅度的响应,而在w大于wc后,幅频响应迅速下降。
所以可以很好的符合题目的要求
2系统理论分析与计算
2.1鉴相器的局部系数的计算
鉴相器内部系数计算如下:
总分频系数
=N*32+A,现取N=64,A=0;
∴
=2048
又对R[2]=010,
所以对DDS输入波形分频为128倍。
所以Fout=
*F(dds)/128;
例如,DDS输入波形为1MHz,则输出经过锁定后应该有16MHz
2.2回路滤波器的计算
图1环路滤波器
图3系统总体框图
3.1.2本振源子系统自系统框图和电路原理图
1、本振源子系统框图
图4本振源子系统框图
图5本振源子系统电路
3.1.3混频滤波子系统框图和电路原理图
1、混频滤波子系统框图
图6混频滤波子系统框图
2、混频滤波子系统原理图
图7AD835混频模块原理图
图8低通滤波模块原理图
3.1.4电源
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供
5V或者
12V电压,确保电路的正常稳定工作。
这部分电路比较简单,都采用三端稳压管实现,故不作详述。
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
软件部分通过stm32f103控制AD9850DDS模块,然后通过改变参考振荡元改变锁相环的输出频率。
之后再通过串口模块把DDS频率信息传输给stm32f429,尔后stm32f429对波形进行AD采集,再通过FFT变换得到被测波形的频谱特性数据。
快速傅里叶变换为基4的1024个数据点处理模式。
在采样率2MHz的频率下可以做到1Mhz的被测信号频谱采集速率。
从而在二十个扫描周期中最终测量得到被测信号的完整频谱特性。
图9快速傅里叶变换后特性曲线
3.2.2程序流程图
1、主程序流程图
图10主程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
对电路模块测试之前,先确保供电和全部连线的正确无误。
然后按照要求以沿信号链的方式对模块进行逐个测量,并且将数据记录成表,进行分析。
尔后再按照题目要求进行微小调节,直到符合要求。
4.2测试条件与仪器
测试条件:
按照信号链,重复检查,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同
测试仪器:
高精度数字毫伏表,数字万有表,直流电源,泰克DP04034B混合信号示波器,乐达LPS305D直流电源供应器(30V,5A),惠普HPS648高频函数信号发生器。
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果(数据)
1.DDS输出频率和MC1648输出波形频率(单位/MHz)
DDS输出频率
MC1648输出波形
DDS输出频率
MC1648输出波形
3.3
90.67
5.5
94.49
3..6
92.37
5.9
99.24
3.8
92.64
6.5
103.7
4.3
95.11
6.6
103.7
4..7
97.33
6.8
109
5.1
97.81
6.9
110
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据,结合题目具体要求,得出以下结论:
1、本作品可以通过DDS控制达到对于本振源预设的90MHz~110MHz控制,但是幅值变化不综上所述,本设计达到设计要求。
但是由于频率变化不成线性,之后通过反复论证得出,该现象是因为无源环路滤波无法达到所能期望的VCO最高输出波形,所以会在达到最高幅值的时候出现增速衰减的情况。
所以可以用有源滤波的方法则可解决该问题
附录:
PCB电路原理图
参考文献:
[1]刘征宇编著,《电子设计竞赛指南》[M].北京:
福建科学技术出版社2005年7
[2][日]TI公司,.德州仪器高性能模拟器件高校运用指南[M].2015
[3]谭博学,苗汇静.集成电路原理及应用[M].北京:
电子工业出版社,2011
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