2017全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽H題

1、2017年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試儀（H題）2017年08月12日摘要本幅頻特性測(cè)試裝置采用STM32F407為主控芯片，通過集成DDS芯片AD9959作為信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)了幅度和頻率的動(dòng)態(tài)可調(diào)；通過級(jí)聯(lián)兩塊AD8367作為放大器,實(shí)現(xiàn)了增益0-40dB連續(xù)可調(diào)，具有較好的噪聲抑制效果；通過AD8310對(duì)數(shù)檢波模塊，實(shí)現(xiàn)了不同頻率信號(hào)幅度的測(cè)量，并且能夠定性的繪制出幅頻特性曲線.關(guān)鍵詞：幅頻特性測(cè)試裝置；DDS;VGA;低噪；對(duì)數(shù)檢波AbstractTheamplitudefrequencycharacteristictestdeviceusesSTM32F407asthemainc

2、ontrolchip,throughtheintegratedDDSchipAD9959asthesignalsource,toachievetheamplitudeandfrequencyofthedynamicadjustable;throughthecascadeoftwoAD8367asanamplifier,toachieveagainof0-40dBcontinuouslyadjustable,Withgoodnoisesuppressioneffect;throughtheAD8310logarithmicdetectionmodule,toachieveadifferentfr

3、equencysignalamplitudemeasurement,andcanqualitativelydrawtheamplitudeandfrequencycharacteristicsofthecurve.Keyword:amplitudefrequencycharacteristictestdevice；DDS;VGA;lownoise;logarithmicdetection目錄.方案論證1.1方案比較與選擇1.2方案描述.理論分析與計(jì)算2.1DDS模塊2.2放大器模塊2.3幅值測(cè)量模塊2.4兀型衰減網(wǎng)絡(luò)三. 電路與程序設(shè)計(jì)四. 3.1電路設(shè)計(jì)3.2程序設(shè)計(jì)測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果結(jié)論遠(yuǎn)

4、程幅頻特性測(cè)試裝置（H題）1. 系統(tǒng)方案方案比較與選擇1）信號(hào)源模塊：方案一：采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）方案。DDS技術(shù)具有輸出頻率相對(duì)較寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率分辨率高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便丁集成，以及相關(guān)波形參數(shù)（頻率、相位、幅度）均可實(shí)現(xiàn)程控的優(yōu)點(diǎn)。方案二：采用鎖相環(huán)間接頻率合成方案。鎖相環(huán)頻率合成在一定程度上解決了既要求頻率穩(wěn)定精確、乂要求頻率在較大范圍可調(diào)的矛盾。但輸出頻率易受可變頻率范圍的影響，輸出頻率相對(duì)較窄，不能滿足題目1MHz-40MHz的高頻要求。采用集成芯片AD9855或FPGA可實(shí)現(xiàn)題目對(duì)掃頻信號(hào)源的要求。因此選用r方卜2）連續(xù)可調(diào)放大器模塊方案一：可切換的多級(jí)放大電路。

5、由運(yùn)算放大器和模擬開關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)組成。實(shí)現(xiàn)方法相對(duì)簡單，但模塊電路龐大，級(jí)數(shù)增加系統(tǒng)較為冗余且穩(wěn)定度降低。方案二：基丁低噪聲運(yùn)算放大器AD8099的級(jí)聯(lián)可控增益放大器。使用低噪聲運(yùn)算放大器AD809皤建兩級(jí)可控增益放大器，每級(jí)增益從0到20dB,通過兩級(jí)運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)得到滿足題目要求的0到40dB連續(xù)可調(diào)放大器模塊。但使用AD809咪建的放大電路增益不夠穩(wěn)定，帶內(nèi)波動(dòng)較為嚴(yán)重，且低增益或高增益時(shí)系統(tǒng)容易自激。方案三：基丁VCA821搭建的可控增益放大器模塊。使用VCA821搭建VGA模塊來實(shí)現(xiàn)本題所需功能，但芯片較為昂貴且不滿足題目部分要求。方案四：基丁AD8367的可控增益放大器模塊。使

6、用兩片AD8367搭建滿足題目要求的連續(xù)可調(diào)的放大器模塊。AD8367具有良好的線性增益曲線，且增益穩(wěn)定，帶內(nèi)波動(dòng)幅度小，并能使用5V單電源綜上可知，雖然AD8367噪聲系數(shù)相較丁AD8099等低噪放偏大，但屆丁接受范圍并且易丁解決。AD8367電路簡單，搭建方便，供電方便，故本系統(tǒng)最終采用方案四。3）濾波器模塊方案一：有源濾波器。使用運(yùn)算放大器搭建本題所需帶通或低通有源濾波器。能夠有效的抑制諧波。但搭建較為復(fù)雜，調(diào)試麻煩。方案二：無源濾波器使用LC網(wǎng)絡(luò)搭建無源濾波器。無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，運(yùn)行可靠性較高，搭建和調(diào)試更為快捷。故本方案選擇無源LC網(wǎng)絡(luò)。主控DDS濾波除噪系統(tǒng)總框圖如

7、下：MCU示波器檢波測(cè)幅幅頻特性圖圖1系統(tǒng)框圖理論分析與計(jì)算1.信號(hào)源模塊cos（0）率的函數(shù)。AD995唄有四個(gè)DDSft核，每個(gè)內(nèi)核由32位相位累加器和相位到幅度轉(zhuǎn)換器組成。當(dāng)相位累加器被計(jì)時(shí)并且相位增量值（頻率調(diào)諧字）大丁0時(shí)，這些數(shù)字模塊一起產(chǎn)生數(shù)字正弦波。相位到幅度轉(zhuǎn)換器同時(shí)將相位信息轉(zhuǎn)換為幅度信息操作。每個(gè)DDS道的輸出頻率（Fout）是每個(gè)相位累加器的翻轉(zhuǎn)速確切的關(guān)系如下式所示：(1)f(FTW)(fs)fout?32其中:fS是系統(tǒng)時(shí)鐘速率。FTW是頻率調(diào)諧字，為0VFTW：231。232表示相位累加器容量。因?yàn)樗兴膫€(gè)通道共享一個(gè)共同的系統(tǒng)時(shí)鐘，它們是固有地同步的。DDS核心

8、架構(gòu)還支持相位偏移由信道相位偏移字（CPOW執(zhí)行的輸出信號(hào)的能力。CPOV鼎存儲(chǔ)相位偏移值的14位寄存器。該值被添加到相位累加器的輸出以偏移輸出信號(hào)的當(dāng)前相位。每個(gè)通道都有自己的相位偏移字寄存器。該特征可用丁將所有信道相對(duì)丁彼此放置在已知的相位關(guān)系中。相位偏移的確切值由下式給出POW、(2)*22放大器模塊設(shè)放大器模塊采用放大器AD8367制作。AD8367是一款具有線性增益控制的放大器，其最大增益可達(dá)45dB,帶寬范圍達(dá)上白兆赫茲.其內(nèi)部由42.5dB固定增益模塊和9級(jí)梯形電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，每級(jí)電阻網(wǎng)絡(luò)的衰減為5dB。通過級(jí)聯(lián)兩塊AD8367通過控制增益電壓來調(diào)整衰減網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到0-40dB可調(diào)。

9、AD8367是一款高性能的45dB可變?cè)鲆娣糯笃?，具有線性dB增益控制功能。使用AD8367#建VGA模塊作為放大器的時(shí)候，增益通過控制5腳的電壓值實(shí)現(xiàn)線性增益變化。5腳上電壓值從50m旗U950mVM應(yīng)VGA莫塊的-2.5至42.5dB增益。因此，放大器模塊采用電阻申聯(lián)電位器分壓給5腳輸入電壓，取電阻值3K9,電位器阻值1K。增益電壓的可輸入范圍為50-950mv,總增益理論值可達(dá)85dbB,實(shí)際空載測(cè)試達(dá)到52dB.幅值測(cè)量模塊幅值測(cè)量模塊采用對(duì)數(shù)放大器AD8310制作。AD公司生產(chǎn)的AD8310是一種高速電壓輸出型對(duì)數(shù)放大器，輸出頻率范圍為DC440MHz。是一款基丁漸進(jìn)壓縮（逐次壓縮）

10、技術(shù)的400MHz完整單芯片解調(diào)對(duì)數(shù)放大器，在頻率最高為100MHz時(shí)可提供95dB（3dB法則一致性）和90dB（1dB緊誤差界限）的動(dòng)態(tài)范圍。該器件極其穩(wěn)定且易丁使用，基本不需要外部元件，AD8310是要求較高的精密中頻信號(hào)測(cè)量應(yīng)用的理想選擇。按照數(shù)據(jù)手冊(cè)的基本連接，其輸出幅度可由下圖讀出。圖2AD8310輸入輸出特性經(jīng)測(cè)試能夠定量的較為準(zhǔn)確的繪出幅頻特性圖。2. 低通濾波器模塊本系統(tǒng)采用七階階低通濾波器來濾除由級(jí)聯(lián)ad8367產(chǎn)生的放大噪聲，濾波器的通帶頻為40MHz為追求帶內(nèi)平坦度，我們選擇巴特沃茲型。原件參數(shù)由filtersolution仿真得出，經(jīng)測(cè)試頻率40MHz寸剛好為-3dB

11、點(diǎn)。兀型衰減網(wǎng)絡(luò)由丁AD9959ft輸出小信號(hào)時(shí)會(huì)損失精度，降低信噪比，故所以將輸出信號(hào)經(jīng)過衰減網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到輸出小信號(hào)的目的。經(jīng)過實(shí)際測(cè)量調(diào)試，確定衰減網(wǎng)絡(luò)的衰減幅度為-31db,能滿足題目要求。衰減網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)由式（1）計(jì)算R2R31ARNR31A-RoutR31A2ARnRout(3)其中Rin.Rout分別為輸入輸出阻抗，R1,R2,R3為構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)電阻。電路見附錄。程序理論計(jì)算freq與輸入寄存器數(shù)據(jù)in滿足AD9959是一款多通道芯片。當(dāng)其正常工作時(shí)，其輸出電壓freq=in*FRE_REF,FRE_REF=8.59。電路與程序設(shè)計(jì)1.電路設(shè)計(jì)1)dds電路參考數(shù)據(jù)手冊(cè)搭建基本的D

12、DS言號(hào)源，外接AD8055AD8056運(yùn)放對(duì)波形整型.AD9959由四個(gè)直接數(shù)字頻率合成器(DDS)內(nèi)核構(gòu)成，每個(gè)通道均可提供獨(dú)立的頻率、相位和幅度控制。這種靈活性可用丁校正信號(hào)之間由濾波、放大等模擬處理或PCB布局失配而引起的不平衡問題。由丁所有通道共享一個(gè)公共系統(tǒng)時(shí)鐘，因此它們具有固有的同步性，支持多個(gè)設(shè)備的同步。電路圖見圖62) pi型衰減網(wǎng)絡(luò)為了實(shí)現(xiàn)小信號(hào)時(shí)的高信噪比，采用DDS輸出大信號(hào)再經(jīng)過衰減網(wǎng)絡(luò)得到所需求的小信號(hào)。同時(shí)該衰減網(wǎng)絡(luò)也能增大電路前后兩級(jí)的隔離度，增強(qiáng)電路的穩(wěn)定性。電路圖見附錄圖7.3）放大器電路為了實(shí)現(xiàn)1-40dB動(dòng)態(tài)可調(diào)，使用AD836潴建兩個(gè)VG如路級(jí)聯(lián)，每一

13、級(jí)分擔(dān)20dB增益，保證增益有充分的裕量。輸出接入低通濾波器模塊消除噪聲。能較好的實(shí)現(xiàn)小信號(hào)放大，波形無明顯失真。電路圖見附錄圖84）峰值檢波電路AD8310!接簡單，反應(yīng)靈敏，能夠直接實(shí)現(xiàn)對(duì)掃頻波的峰值檢測(cè)。電路圖見附錄圖92.程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主控芯片采用STM32F407，通過IIC總線完成和ZLG7290鍵盤芯片的通信，利用SPI串行總線完成和AD9959的通信。單片機(jī)通過讀取鍵盤鍵值執(zhí)行不同的功能，通過控制AD9959制成1M40M頻率可變，幅度可調(diào)的DDS。單片機(jī)通過控制DAC生成周期和掃頻時(shí)間相同的鋸齒波，結(jié)合檢波后信號(hào)繪成幅頻特性曲線。單片機(jī)通過串口半雙工通信和另一單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)雙絞

14、線通信，將幅度和頻率信息傳至另一幅頻特性測(cè)試裝置。軟件整體框圖見附錄圖1。單片機(jī)控制AD9959圖4單片機(jī)控制周立功鍵盤一. 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果使用儀器：DG4162信號(hào)源/頻率計(jì)1臺(tái)MSO4054示波器1臺(tái)DSA875頻譜儀1臺(tái)測(cè)試項(xiàng)目：詳細(xì)測(cè)試方案請(qǐng)見附錄。測(cè)試結(jié)果如下基本要求測(cè)試結(jié)果信號(hào)源測(cè)量項(xiàng)目題目指標(biāo)完成情況是否測(cè)試方案簡述達(dá)標(biāo)與測(cè)量儀器1.1頻率范圍1MHz40MHz1MHz40MHz1MHz步進(jìn)可調(diào)是點(diǎn)頻輸出測(cè)量MSO4050示波器頻率計(jì)1.2頻率步進(jìn)1MHz1MHz是點(diǎn)頻輸出測(cè)量MSO4050示波器頻率計(jì)1.3輸出電壓峰峰值5100mv5mV100mV1mV步進(jìn)是MSO4050

15、示波器頻率計(jì)1.4a自動(dòng)/手動(dòng)掃描可自動(dòng)/手動(dòng)掃描可以是MSO4050示波器頻率計(jì)放大器測(cè)量項(xiàng)目題目指標(biāo)完成情況是否達(dá)標(biāo)測(cè)試方案簡述與測(cè)量儀器2.1頻率范圍1MHz40MHz500KHz40MHz否DG4162信號(hào)源MSO4050示波器頻率計(jì)2.2增益范圍0-40dB0-43.5是DG4162信號(hào)源MSO4050示波器頻率計(jì)2.3輸出峰峰值1V峰峰值1.5VPP是DG4162信號(hào)源MSO4050示波器頻率計(jì)2.4輸出有效值1V有效值1.06有效值是DG4162信號(hào)源MSO4050示波器頻率計(jì)幅頻特性能定性的在示波器上較為活晰的繪制出幅頻特性曲線。5.結(jié)論本作品完成了題目的基本完成基礎(chǔ)指標(biāo)和小部

16、分要求。本作品采用STM32F40祚為主控芯片，控制集成芯片AD9559的DDS率合成器實(shí)現(xiàn)信號(hào)源源輸出。兩塊AD8367級(jí)聯(lián)作為放大器,實(shí)現(xiàn)信號(hào)0-40dB可調(diào)，噪聲較小，本作品還采用AD8310進(jìn)行峰值檢測(cè)，測(cè)量的靈敏度較高，能定性的繪制出被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。附錄測(cè)試方案信號(hào)源：1. 1頻率范圍：系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置1MH2J40MH瀕率輸出，使用示波器內(nèi)置頻率計(jì)測(cè)量頻率。1.2頻率步進(jìn)：系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置10MH內(nèi)11MH瀕率輸出，使用示波器內(nèi)置頻率計(jì)測(cè)量頻率。1.3輸出電壓峰峰值：負(fù)載600Q電阻時(shí)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置20MHz率輸出，幅度設(shè)置5mV10mV50mV100mVfJ用示波器觀察幅度。1.4a自動(dòng)

17、/手動(dòng)掃描：采用示波器觀測(cè)自動(dòng)掃頻輸出1-40MHz與手動(dòng)電平輸出是否正常。放大器:2. 1頻率范圍：負(fù)載電阻600Q時(shí)，采用信號(hào)源輸入10mVpp勺100Khz到45MHz的掃頻信號(hào)，用示波器觀察帶內(nèi)平坦度。2.2增益范圍：負(fù)載電阻600Q時(shí)，分別輸入10mVpp1MHz5MHz20MHz40MHz的信號(hào)，調(diào)節(jié)放大器增益，用示波器觀察增益范圍2.3輸出峰峰值：采用信號(hào)源輸入10mVpp勺1MHU40MHzi勺掃頻信號(hào)，用示波器觀察輸出峰峰值大小，停止掃頻觀察波形是否失真。2.4輸出有效值：負(fù)載600Q時(shí)，采用信號(hào)源輸入10mVpp勺20MH始號(hào)，用示波器觀察輸出有效值的大小。幅頻特性顯示:按鍵控制幅度信息將系