全国大学生电子设计竞赛H题Word文档格式.docx
- 文档编号:16543873
- 上传时间:2022-11-24
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:318.61KB
全国大学生电子设计竞赛H题Word文档格式.docx
《全国大学生电子设计竞赛H题Word文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《全国大学生电子设计竞赛H题Word文档格式.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
VGA;
lownoise;
logarithmicdetection
一.方案论证
1.1 方案比较与选择
1.2 方案描述
二.理论分析与计算
2.1 DDS模块
2.2 放大器模块
2.3 幅值测量模块
2.4π型衰减网络
三.电路与程序设计
3.1 电路设计
3.2 程序设计
四.测试方案与测试结果
五.结论
远程幅频特性测试装置(H题)
一.系统方案
1.方案比较与选择
1)信号源模块:
方案一:
采用直接数字频率合成(DDS)方案。
DDS技术具有输出频率相对较宽,频率转换时间短,频率分辨率高,全数字化结构便于集成,以及相关波形参数(频率、相位、幅度)均可实现程控的优点。
方案二:
采用锁相环间接频率合成方案。
锁相环频率合成在一定程度上解决了既要求频率稳定精确、又要求频率在较大范围可调的矛盾。
但输出频率易受可变频率范围的影响,输出频率相对较窄,不能满足题目1MHz-40MHz的高频要
求。
采用集成芯片AD9855或FPGA可实现题目对扫频信号源的要求。
因此选用方案一。
2)连续可调放大器模块
方案一:
可切换的多级放大电路。
由运算放大器和模拟开关控制的电阻网络组成。
实现方法相对简单,但模块电路庞大,级数增加系统较为冗余且稳定度降低。
基于低噪声运算放大器AD8099的级联可控增益放大器。
使用低噪声运算放大器AD8099搭建两级可控增益放大器,每级增益从0到20dB,通过两级运算放大器级联得到满足题目要求的0到40dB连续可调放大器模块。
但使用AD8099搭建的放大电路增益不够稳定,带内波动较为严重,且低增益或高增益时系统容易自激。
方案三:
基于VCA821搭建的可控增益放大器模块。
使用VCA821搭建VGA模块来实现本题所需功能,但芯片较为昂贵且不满足题目部分要求。
方案四:
基于AD8367的可控增益放大器模块。
使用两片AD8367搭建满足题目要求的连续可调的放大器模块。
AD8367具有良好的线性增益曲线,且增益稳定,带内波动幅度小,并能使用5V单电源
综上可知,虽然AD8367噪声系数相较于AD8099等低噪放偏大,但属于接受范围并且易于解决。
AD8367电路简单,搭建方便,供电方便,故本系统最终采用方案四。
3)滤波器模块
有源滤波器。
使用运算放大器搭建本题所需带通或低通有源滤波器。
能够有效的抑制谐波。
但搭建较为复杂,调试麻烦。
方案二:
无源滤波器
使用LC网络搭建无源滤波器。
无源滤波器具有结构简单,成本低廉,运行可靠性较高,搭建和调试更为快捷。
故本方案选择无源LC网络。
系统总框图如下:
幅频特性图
图1系统框图
二.理论分析与计算
1.信号源模块
AD9959具有四个DDS内核,每个内核由32位相位累加器和相位到幅度转换器组成。
当相位累加器被计时并且相位增量值(频率调谐字)大于0时,这些数字模块一起产生数字正弦波。
相位到幅度转换器同时将相位信息转换为幅度信息cos(θ)操作。
每个DDS通道的输出频率(Fout)是每个相位累加器的翻转速率的函数。
确切的关系如下式所示:
(1)
其中:
fS是系统时钟速率。
FTW是频率调谐字,为0≤FTW≤231。
232表示相位累加器容量。
因为所有四个通道共享一个共同的系统时钟,它们是固有地同步的。
DDS核心架构还支持相位偏移由信道相位偏移字(CPOW)执行的输出信号的能力。
CPOW是存储相位偏移值的14位寄存器。
该值被添加到相位累加器的输出以偏移输出信号的当前相位。
每个通道都有自己的相位偏移字寄存器。
该特征可用于将所有信道相对于彼此放置在已知的相位关系中。
相位偏移的确切值由下式给出
(2)
2.放大器模块
设放大器模块采用放大器AD8367制作。
AD8367是一款具有线性增益控制的放大器,其最大增益可达45dB,带宽范围达上百兆赫兹.其内部由42.5dB固定增益模块和9级梯形电阻网络构成,每级电阻网络的衰减为5dB。
通过级联两块AD8367,通过控制增益电压来调整衰减网络,达到0-40dB可调。
AD8367是一款高性能的45dB可变增益放大器,具有线性dB增益控制功能。
使用AD8367搭建VGA模块作为放大器的时候,增益通过控制5脚的电压值实现线性增益变化。
5脚上电压值从50mV到950mV对应VGA模块的-2.5至42.5dB增益。
因此,放大器模块采用电阻串联电位器分压给5脚输入电压,取电阻值3K9,电位器阻值1K。
增益电压的可输入范围为50-950mv,总增益理论值可达85dbB,实际空载测试达到52dB.
3.幅值测量模块
幅值测量模块采用对数放大器AD8310制作。
AD公司生产的AD8310是一种高速电压输出型对数放大器,输出频率范围为DC~440MHz。
是一款基于渐进压缩(逐次压缩)技术的400MHz完整单芯片解调对数放大器,在频率最高为100MHz时可提供95dB(±
3dB法则一致性)和90dB(±
1dB紧误差界限)的动态范围。
该器件极其稳定且易于使用,基本不需要外部元件,AD8310是要求较高的精密中频信号测量应用的理想选择。
按照数据手册的基本连接,其输出幅度可由下图读出。
图2AD8310输入输出特性
经测试能够定量的较为准确的绘出幅频特性图。
4.低通滤波器模块
本系统采用七阶阶低通滤波器来滤除由级联ad8367产生的放大噪声,滤波器的通带频为40MHz,为追求带内平坦度,我们选择巴特沃兹型。
原件参数由filtersolution仿真得出,经测试频率40MHz时刚好为-3dB点。
5.π型衰减网络
由于AD9959在输出小信号时会损失精度,降低信噪比,故所以将输出信号经过衰减网络,以达到输出小信号的目的。
经过实际测量调试,确定衰减网络的衰减幅度为-31db,能满足题目要求。
衰减网络的参数由式
(1)计算
(3)
其中Rin.Rout分别为输入输出阻抗,R1,R2,R3为构成网络的三个电阻。
电路见附录。
程序理论计算
AD9959是一款多通道芯片。
当其正常工作时,其输出电压freq与输入寄存器数据in满足freq=in*FRE_REF,FRE_REF=8.59。
三.电路与程序设计
1.电路设计
1)dds电路
参考数据手册搭建基本的DDS信号源,外接AD8055,AD8056运放对波形整型.AD9959由四个直接数字频率合成器(DDS)内核构成,每个通道均可提供独立的频率、相位和幅度控制。
这种灵活性可用于校正信号之间由滤波、放大等模拟处理或PCB布局失配而引起的不平衡问题。
由于所有通道共享一个公共系统时钟,因此它们具有固有的同步性,支持多个设备的同步。
电路图见图6
2)pi型衰减网络
为了实现小信号时的高信噪比,采用DDS输出大信号再经过衰减网络得到所需求的小信号。
同时该衰减网络也能增大电路前后两级的隔离度,增强电路的稳定性。
电路图见附录图7.
3)放大器电路
为了实现1-40dB动态可调,使用AD8367搭建两个VGA电路级联,每一级分担20dB增益,保证增益有充分的裕量。
输出接入低通滤波器模块消除噪声。
能较好的实现小信号放大,波形无明显失真。
电路图见附录图8
4)峰值检波电路
AD8310连接简单,反应灵敏,能够直接实现对扫频波的峰值检测。
电路图见附录图9
2.程序设计
本系统主控芯片采用STM32F407,通过IIC总线完成和ZLG7290键盘芯片的通信,利用SPI串行总线完成和AD9959的通信。
单片机通过读取键盘键值执行不同的功能,通过控制AD9959制成1M~40M频率可变,幅度可调的DDS。
单片机通过控制DAC生成周期和扫频时间相同的锯齿波,结合检波后信号绘成幅频特性曲线。
单片机通过串口半双工通信和另一单片机可实现双绞线通信,将幅度和频率信息传至另一幅频特性测试装置。
软件整体框图见附录图1。
图3单片机控制AD9959图4单片机控制周立功键盘
四.测试方案与测试结果
使用仪器:
DG4162信号源/频率计1台
MSO4054示波器1台
DSA875频谱仪1台
测试项目:
详细测试方案请见附录。
测试结果如下
基本要求测试结果
信号源
测量项目
题目指标
完成情况
是否
达标
测试方案简述
与测量仪器
1.1频率范围
1MHz~40MHz
1MHz步进可调
是
点频输出测量
MSO4050示波器频率计
1.2频率步进
1MHz
1.3输出电压峰峰值
5~100mv
5mV~100mV
1mV步进
1.4a自动/手动扫描
可自动/手动扫描
可以
放大器
2.1频率范围
500KHz~40MHz
否
DG4162信号源
2.2增益范围
0-40dB
0-43.5
2.3输出峰峰值
1V峰峰值
1.5VPP
2.4输出有效值
1V有效值
1.06有效值
幅频特性
能定性的在示波器上较为清晰的绘制出幅频特性曲线。
5.结论
本作品完成了题目的基本完成基础指标和小部分要求。
。
本作品采用STM32F407作为主控芯片,控制集成芯片AD9559的DDS频率合成器实现信号源源输出。
两块AD8367级联作为放大器,实现信号0-40dB可调,噪声较小,本作品还采用AD8310进行峰值检测,测量的灵敏度较高,能定性的绘制出被测网络的幅频特性曲线。
附录
测试方案
信号源:
1.1频率范围:
系统内设置1MHz到40MHz频率输出,使用示波器内置频率计测量频率。
1.2频率步进:
系统内设置10MHz与11MHz频率输出,使用示波器内置频率计测量频率。
1.3输出电压峰峰值:
负载600Ω电阻时系统内设置20MHz频率输出,幅度设置5mV,10mV,50mV,100mV使用示波器观察幅度。
1.4a自动/手动扫描:
采用示波器观测自动扫频输出1-40MHz与手动电平输出是否正常。
放大器:
2.1频率范围:
负载电阻600Ω时,采用信号源输入10mVpp的100Khz到45MHz的扫频信号,用示波器观察带内平坦度。
2.2增益范围:
负载电阻600Ω时,分别输入10mVpp;
1MHz,5MHz,20MHz,40MHz的信号,调节放大器增益,用示波器观察增益范围
2.3输出峰峰值:
采用信号源输入10mVpp的1MHz到40MHz的扫频信号,用示波器观察输出峰峰值大小,停止扫频观察波形是否失真。
2.4输出有效值:
负载600Ω时,采用信号源输入10mVpp的20MHx信号,用示波器观察输出有效值的大小。
幅频特性显示:
3.将系统级联,单片机控制DDS产生扫频信号经过被测网络(放大器)后峰值检波输入示波器,同时系统内部产生一路同时钟的锯齿波信号输入示波器,使用示波器XY功能,定性合成幅频特性曲线。
将被测网络接入频谱仪,观察幅频特性曲线是否失真。
附图
图5程序框图
图6DDS信号源
图7
图8
图9
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 全国大学生 电子设计 竞赛
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)