高頻信號(hào)測(cè)量?jī)x

1、摘要本系統(tǒng)是高頻信號(hào)的幅度和頻率的測(cè)量裝置。由鎖相分頻電路，峰值檢波電路，信號(hào)放大電路，輸出顯示部分組成。測(cè)頻部分，高頻信號(hào)通過(guò)鎖相分頻電路，使信號(hào)降低到單片機(jī)能夠測(cè)量的頻率范圍。然后通過(guò)放大電路后送入STM32進(jìn)行頻率測(cè)量；測(cè)幅部分，高頻信號(hào)通過(guò)基于AD8318的對(duì)數(shù)檢波器電路，使信號(hào)檢波輸出直流電壓，由STM32進(jìn)行測(cè)量顯示。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)在幅度100uV1V，頻率在1M200M的高頻信號(hào)下，能夠較準(zhǔn)確測(cè)量出幅值和頻率。基本完成了題目要求。本系統(tǒng)測(cè)頻部分采用了微波分頻器MB506，最高分頻頻率達(dá)到2.4GHz，測(cè)幅部分采用了1 MHz 至8 GHz對(duì)數(shù)檢波芯片AD8318。能很好的高頻信號(hào)

2、檢波輸出。電路簡(jiǎn)單，精度高。檢測(cè)顯示模塊利用高性能STM32單片機(jī)和高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1118進(jìn)行采樣并經(jīng)12864顯示，美觀大方。關(guān)鍵詞：鎖相環(huán) 峰值檢波器 STM32 目錄1. 設(shè)計(jì)任務(wù)31.1任務(wù)31.2基本要求32.方案論證32.1頻率測(cè)量?jī)x32.2幅度測(cè)量?jī)x32.3軟件方案32.4系統(tǒng)整體方案42.5系統(tǒng)整體框圖43.理論分析計(jì)算43.1測(cè)頻電路設(shè)計(jì)43.1.1微波分頻電路43.1.2信號(hào)放大電路5 3.2測(cè)幅電路設(shè)計(jì)53.3單片機(jī)控制與系統(tǒng)任務(wù)的選取64. 測(cè)試結(jié)果與誤差分析74.1測(cè)試儀器：74.2測(cè)試分析74.2.1 頻率測(cè)量74.2.2 幅度測(cè)量74.3結(jié)論與誤差分析75

3、. 結(jié)論、心得體會(huì)76. 參考文獻(xiàn)81. 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一套高頻信號(hào)測(cè)幅與測(cè)頻系統(tǒng)。1.2要求1.2.1基本要求：（1）被測(cè)信號(hào)為正弦波,頻率范圍10MHz100MHz,振幅1mV1V；（2）設(shè)計(jì)并制作能自動(dòng)測(cè)量與顯示的頻率與振幅的測(cè)量裝置。測(cè)頻精度優(yōu)于0.01%；測(cè)幅精度優(yōu)于5%；（3）測(cè)量裝置的輸入電阻50；顯示采用液晶面板。1.2.2發(fā)揮部分：（1）測(cè)頻的頻率范圍10MHz200MHz; 測(cè)頻精度優(yōu)于0.005%；（2）測(cè)幅的范圍100V1V。2方案論證2.1頻率測(cè)量?jī)x：方案一：由DDS合成基準(zhǔn)高頻信號(hào)，與被測(cè)信號(hào)混頻。通過(guò)低通濾波器取出相減得來(lái)的低頻信號(hào)，再由單片機(jī)測(cè)量。

4、最后的顯示值為最終輸出低頻信號(hào)和DDS基準(zhǔn)信號(hào)的和值。DDS頻率合成精度高。但是小信號(hào)混頻難度較大。且DDS芯片產(chǎn)生的頻率有限，價(jià)格昂貴?？傊娐窂?fù)雜，成本較高、方案二：采用計(jì)數(shù)器對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行分頻，然后由單片機(jī)測(cè)量。但是，目前常用的計(jì)數(shù)器對(duì)于高達(dá)200MHz的信號(hào)，需要級(jí)聯(lián)多級(jí)才能實(shí)現(xiàn)分頻目的，且造成信號(hào)延遲。電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。方案三：采用鎖相分頻芯片。鎖相環(huán)頻率合成以精度高著稱，通過(guò)集成鎖相分頻芯片對(duì)高頻信號(hào)分頻處理，而不會(huì)影響其精度變化。綜上，為了使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，精度高，且考慮到成本問(wèn)題，選擇方案三。2.2幅度測(cè)量?jī)x方案一：通過(guò)寬帶放大器放大信號(hào)，然后通過(guò)二極管峰值檢波電路輸出直流電壓，

5、由單片機(jī)測(cè)量。然而，信號(hào)帶寬高達(dá)200M，信號(hào)幅度范圍1mV1V。不論是寬帶放大部分還是峰值檢波部分設(shè)計(jì)都較為復(fù)雜，且實(shí)現(xiàn)較為困難。方案二：直接通過(guò)集成峰值檢波芯片，對(duì)輸入的高頻信號(hào)檢波處理。此方案電路簡(jiǎn)單可靠，精度較高。綜上，為了提高檢波精度和減少電路復(fù)雜度，選擇方案二。2.3軟件方案方案一:時(shí)間測(cè)量法。測(cè)量頻率的方法可以選擇stm32中的TIM定時(shí)器的輸入捕獲測(cè)量分頻后的頻率。本方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)時(shí)鐘準(zhǔn)確，測(cè)量周期短，缺點(diǎn)是測(cè)量的時(shí)間轉(zhuǎn)換為頻率時(shí)會(huì)引入誤差。方案二：直接測(cè)頻法。選擇系統(tǒng)時(shí)鐘定時(shí)器，測(cè)量在1秒時(shí)間內(nèi)，信號(hào)上升沿觸發(fā)端口中斷的數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)量結(jié)果為頻率。優(yōu)點(diǎn)是在頻率較高時(shí)，誤差

6、不大，缺點(diǎn)是測(cè)量的最高頻率較低。由于前級(jí)電路采用分頻電路，本題對(duì)于測(cè)量精度要求較高，故采用方案二。2.4系統(tǒng)整體方案：測(cè)頻部分，系統(tǒng)采用集成鎖相環(huán)微波分頻器把信號(hào)講評(píng)至單片機(jī)能夠處理的范圍。然后通過(guò)整形放大，送入單片機(jī)進(jìn)行測(cè)量；測(cè)幅部分，把高頻信號(hào)直接送入集成射頻檢波器，把高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)整形檢波輸出直流。直接由單片機(jī)測(cè)量。最后，所有的測(cè)量結(jié)果由液晶頻幕顯示。2.5系統(tǒng)總體框圖3.理論分析與計(jì)算3.1測(cè)頻電路設(shè)計(jì)3.1.1微波分頻電路微波分頻電路，由一塊MB506及外圍元件組成。MB506是一塊有64、128、256三種分頻比的微波分頻電路，最高工作頻率2.4GHz。改變Pin3、Pin6的接法可

7、得到不同的分頻比（圖二）。MB506輸入電壓范圍在1mV1.5V，內(nèi)部自帶放大整形電路，輸出不隨輸入電壓改變而改變。圖二：分頻比圖三：分頻電路如上圖三，輸入口的二極管用于保護(hù)電路，防止電壓過(guò)大損壞電路。由于輸入信號(hào)頻率在1Mhz200Mhz。而所選取的單片機(jī)測(cè)頻范圍Fmax<1Mhz。經(jīng)計(jì)算分頻比：N=200所以選取標(biāo)稱值256.故芯片的3,6引腳置低。由于開(kāi)路默認(rèn)為低電平。所以電路中3,6引腳懸空。3.1.2信號(hào)放大電路雖然MB506自帶放大整形電路，但經(jīng)實(shí)際測(cè)量，當(dāng)供電電壓VCC=5V時(shí)，穩(wěn)定輸出幅值Vpp=1V。不滿足單片機(jī)測(cè)頻的敏感電平。故需要提供信號(hào)放大電路。圖四：同相比例放大

8、電路通過(guò)測(cè)量，單片機(jī)的敏感電平VPP5Vpp。所以選取放大倍數(shù)：A=5。這里選取同相比例放大電路（圖四）。由放大器原理：A=1+Rf/RinR0=Rf/Rin這里取Rin=150，Rf=620 ，R0=120 。由于分頻后頻率Fmax1Mhz。所以增益帶寬積GBW5Mhz。這里選取精密運(yùn)算放大器OP37。其帶寬達(dá)到60Mhz。遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足電路設(shè)計(jì)要求。3.2幅度測(cè)量?jī)x幅度測(cè)量基于對(duì)數(shù)檢波芯片AD8318.它本質(zhì)上是解調(diào)對(duì)數(shù)放大器，能夠?qū)F輸入信號(hào)精確地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的dB標(biāo)度輸出電壓。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖五所示：圖五：AD8318內(nèi)部電路圖由9級(jí)解調(diào)型對(duì)數(shù)放大器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，每級(jí)增益為8.7dB，帶寬為10.5

9、GHz，其輸出經(jīng)檢測(cè)單元變換為電流并送至電流求和電路，濾波后最終形成與輸入射頻信號(hào)電壓成對(duì) 數(shù)關(guān)系的電流輸出：其輸出電壓滿足如下關(guān)系：由AD8318配置10dB輸入衰減器，構(gòu)成峰值檢測(cè)電路，如圖六所示： 圖六 AD8318峰值檢測(cè)電路接入+5V直流供電后，即可工作，可檢測(cè)+5dBm-50dBm的射頻信號(hào)，轉(zhuǎn)換成0.2V2V直流電壓輸出。電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定。在圖中，VPS1為輸入電路提供偏置電壓，VPS0為輸出電路提供偏置電壓，因此在連接時(shí)，兩個(gè)正極輸入端VPS1和VPS0要接在同一電源上。并且在VPS1端和VPS0要分別接上0,1uF和100pF的去耦電容。另外，信號(hào)輸入端和輸?shù)囟饲绊毤玉詈想娙荨?/p>

10、對(duì)輸入信號(hào)之進(jìn)行整形，和前分別接一個(gè)1nF的耦合電容，一個(gè)52.3 的電阻接在和之間并與地端相接，組成耦合電路。3.3單片機(jī)控制與系統(tǒng)任務(wù)的設(shè)計(jì)與選峰值檢測(cè)電路 ads1118 stm32分頻電路 端口中斷4.測(cè)試結(jié)果與誤差分析4.1測(cè)試儀器序號(hào)儀器名稱儀器型號(hào)1泰克示波器TDS30352B2安捷倫萬(wàn)用表34401A3安捷倫信號(hào)發(fā)生器3352A4.2測(cè)試分析4.2.1頻率測(cè)量：Vpp=1V實(shí)際值（Mhz）11020304050100150200測(cè)量值（Mhz）0.999810.000120.000129.999839.999740.999799.9988150.0013199.9976誤差%0

11、.0200.0100.0050.0070,0080.0060.0120.0080.012Vpp=1mV實(shí)際值（Mhz）11020304050100150200測(cè)量值（Mhz）0.998810.001020.001829.998839.998740.999599.9988150.0013199.9976誤差%0.1200.1000.0900.0400,0300.0100.0080.0080.012結(jié)果分析：當(dāng)信號(hào)為1Vpp時(shí)，滿足測(cè)試要求。當(dāng)信號(hào)為1mV時(shí)，信號(hào)大于50Mhz滿足測(cè)試要求。4.2.2幅度測(cè)量：實(shí)際值（mV）1101002005008001000測(cè)量值（mV）1.1010.05100.5200.8499.0802.01030.0誤差%10.05.05.04.02,02.53.0結(jié)果分析：當(dāng)信號(hào)Vpp>=10mV時(shí)，滿足設(shè)計(jì)要求。4.3結(jié)論與誤差分析：1. 單片機(jī)時(shí)鐘頻率定時(shí)不夠精準(zhǔn)。2. 芯片受溫度影響表現(xiàn)出不穩(wěn)定，不準(zhǔn)確。3. 程序算法對(duì)結(jié)果擬合的不夠準(zhǔn)確。5.結(jié)論心得這次TI杯比賽，本組成員學(xué)到很多。在這個(gè)過(guò)程，我們對(duì)題目的分析與設(shè)計(jì)能力，對(duì)電路的制作與探究能力，都得到了很大的提升。學(xué)會(huì)了如何把復(fù)雜問(wèn)題向簡(jiǎn)答反向轉(zhuǎn)化。同時(shí)體會(huì)到了鎖相分頻的便捷與精準(zhǔn)。對(duì)峰值檢波的理解和運(yùn)用也得到很大提升。然而，由于信號(hào)幅值太