電子競賽論文利用變頻和濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)對輸入信號的頻譜分析本科論文

PAGEPAGEIII2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽陜西賽區(qū)設(shè)計(jì)報(bào)告作品編號：（由組委會填寫）作品編號：（由組委會填寫）參賽隊(duì)編號（參賽學(xué)校填寫）學(xué)校編號組（隊(duì)）編號選題編號2604E說明為保證本次競賽評選的公平、公正，將對競賽設(shè)計(jì)報(bào)告采用二次編碼；本頁作為競賽設(shè)計(jì)報(bào)告的封面和設(shè)計(jì)報(bào)告一同裝訂；“作品編號”由組委會統(tǒng)一編制，參賽學(xué)校請勿填寫；“參賽隊(duì)編號”由參賽學(xué)校編寫，其中“學(xué)校編號”應(yīng)按照巡視員提供的組委會印制編號填寫，“組（隊(duì)）編號”由參賽學(xué)校根據(jù)本校參賽隊(duì)數(shù)按順序編排，“選題編號”由參賽隊(duì)員根據(jù)所選試題編號填寫，例如：“0105B”或“3367F”。5.本頁允許各參賽學(xué)校復(fù)印。摘要頻譜分析儀是信號處理中一個(gè)非常常用且重要的儀器。本設(shè)計(jì)利用變頻和濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)對輸入信號的頻譜分析。設(shè)計(jì)完成了由鎖相環(huán)組成的本振源電路，其中VCO電路由MAX2620和集總LC元件構(gòu)成，鎖相頻率合成器芯片選用MB1504，實(shí)驗(yàn)測試頻率頻率范圍為90MHz~110MHz，步進(jìn)為100KHz；混頻電路采用乘法器AD835完成，中頻信號選為10.7MHz；通過有效值轉(zhuǎn)直流芯片LTC1968實(shí)現(xiàn)對中頻信號的檢波功能；設(shè)計(jì)完成了本振源信號連續(xù)掃描、頻譜記錄等處理，實(shí)現(xiàn)了對待分析信號80MHz~100MHz的輸入信號的頻譜、雜散等分析功能；另外，設(shè)計(jì)還通過微處理器實(shí)現(xiàn)了頻譜顯示、環(huán)路鎖定顯示等功能。關(guān)鍵字：頻譜分析混頻器鎖相環(huán)目錄1系統(tǒng)方案 41.1本振電路的選擇 41.2混頻電路的選擇 51.3檢波電路的論證與選擇 52系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 62.1VCO諧振回路LC的計(jì)算 62.2MB1504前置分頻器理論分析 63電路與程序設(shè)計(jì) 73.1各部分單元電路的設(shè)計(jì) 73.2程序的設(shè)計(jì) 84測試方案與測試結(jié)果 84.1測試方案 84.2測試條件與儀器 94.3測試結(jié)果及分析 94.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù)) 94.3.2測試分析與結(jié)論 10附錄1：電路原理圖 11PAGEPAGE4 80MHz~100MHz頻譜分析儀（E題）【組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由本振電路，中頻放大電路，混頻電路，濾波電路，鑒頻電路。系統(tǒng)總體框圖如圖1-1所示，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。圖1-1系統(tǒng)總體框圖1.1本振電路的選擇根據(jù)題目要求，制作一個(gè)基于鎖相環(huán)的本振源，作為混頻的一路輸入。通過晶體振蕩器提供的標(biāo)準(zhǔn)頻率，在給定的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生與該晶體振蕩器穩(wěn)定度相同的大量離散頻率信號。圖1-2鎖相環(huán)頻率合成器原理方案一：通過集成鎖相頻率合成芯片MB1504與MC12148壓控振蕩器構(gòu)成鎖相環(huán)電路。優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，搭建方便；缺點(diǎn)：輸出的振蕩受干擾比較嚴(yán)重。方案二：CD4046集成鎖相環(huán)。CD4046是一個(gè)集成鎖相環(huán)，內(nèi)部集成穩(wěn)壓，整形，分頻，壓控振蕩器等電路。只需配置外部電阻電容的值即可輕松實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)電路。優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：難以進(jìn)行數(shù)控，不能實(shí)現(xiàn)掃頻。方案三：集成電路MAX2620和集總LC元件構(gòu)成窄帶VCO電路模塊，然后同集成鎖相頻率合成器芯片MB1504一起構(gòu)成鎖相環(huán)式低噪聲、高穩(wěn)定性的鎖相頻率源電路。優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好，受電源及分布參數(shù)小，調(diào)試方便；缺點(diǎn)：外部電感參數(shù)太小，不易測量和選用。由于題目要求由鎖相環(huán)產(chǎn)生的本振源頻率范圍是90MHz~110MHz，方案一實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜，方案二基本不能滿足題目要求，而方案三中，MAX2620是一款較寬頻率范圍(10～1050MHz)的集成振蕩器芯片，它具有高頻雙極工藝所特有的低閃爍噪聲、低噪聲系數(shù)和低寄生特點(diǎn)。我們通過計(jì)算得到適當(dāng)?shù)恼袷幓芈?，設(shè)計(jì)出所需中心頻率的壓控振蕩器電路。通過查找資料可知，MAX2620內(nèi)部的有源器件對諧振回路的負(fù)載極輕，因而可使振蕩回路具有較高的有載Q值，以用來設(shè)計(jì)窄帶壓控振蕩器電路。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.2混頻電路的選擇輸入信號與本振信號混頻產(chǎn)生多個(gè)各次諧波的中頻信號，再通過固定中心頻率的帶通濾波器，得到各個(gè)固定差頻的信號。方案一：仿照收音機(jī)混頻原理，利用CMOS管構(gòu)建一個(gè)混頻電路優(yōu)點(diǎn)：CMOS管容易獲得，通用性強(qiáng)。缺點(diǎn)：電路搭建復(fù)雜，電感和變壓器需要自己繞制，電感量不容易控制。分立元件信號處理電路容易產(chǎn)生各種失真。方案二：利用乘法器AD835得到差頻和和頻以及諧波的奇數(shù)倍，再通過帶通濾波器，得到差頻信號。優(yōu)點(diǎn)：電路以及乘法原理簡單，方便調(diào)試；缺點(diǎn)：AD835的上限頻率為250MHz，我們的兩路輸入信號的最大和頻為210MHz，接近其帶寬，可能會對電路有影響。方案三：二極管環(huán)形混頻電路是典型的應(yīng)用電路，可以較為容易地得到固定中頻信號的信號。優(yōu)點(diǎn)：輸出信號頻率等于兩輸入信號頻率之和、差或其他組合的電路。通常由非線性器件和選頻回路；缺點(diǎn)：輸出信號頻率等于兩輸入信號頻率之和、差或其他組合的電路。通常由非線性器件和選頻回路；由于二極管環(huán)形混頻電路輸出信號頻率等于兩輸入信號頻率之和、差或其他組合的電路。通常由非線性器件和選頻回路組成，一般市場上供求少，用分立元件搭建電路復(fù)雜，沒有乘法器原理簡單。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.3檢波電路的論證與選擇通過帶通濾波器得到的信號是中頻信號，我們需要獲得一個(gè)電壓信號通過單片機(jī)內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換后描繪頻譜。因此需要一個(gè)RMS轉(zhuǎn)DC電路。方案一：通過AD637芯片直接將有效值轉(zhuǎn)化為直流。缺點(diǎn)：AD637帶寬不能滿足電路要求。方案二：TLC1968也是將有效值轉(zhuǎn)化為直流的芯片。優(yōu)點(diǎn)：帶寬滿足電路要求，集成度高，誤差小。缺點(diǎn)：暫無。方案三：二極管檢波電路綜合考慮，決定選用方案三。2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1VCO諧振回路LC的計(jì)算MAX2620需要外接RF諧振回路以構(gòu)成VCO電路,SHDN端用三針跳針分別接到Vcc和地，可用于控制電源的關(guān)斷，以在調(diào)試中方便的判斷諧振回路是否起振。變?nèi)莨芸赏ㄟ^C2接入諧振回路。C2值取為33pF。經(jīng)過C2后，諧振回路的等效Q將升高數(shù)倍。因此，即便采用廉價(jià)的Q和較低的變?nèi)莨?，也可設(shè)計(jì)出Q較高的諧振回路。諧振回路電感采用表面貼式諧振電感，該電感具有輻射干擾小、受分布電容影響小、調(diào)試方便等特點(diǎn)。電感值選為180nH，當(dāng)諧振頻率范圍為80～88MHz時(shí)，其中心頻率為84MHz。由諧振公式可得出諧振回路的總電容Co=19.94Pf。由改進(jìn)型電容三點(diǎn)式的構(gòu)建特點(diǎn)選取各個(gè)電容值，構(gòu)成LC諧振回路。經(jīng)過調(diào)試，VCO電路的具體元件參數(shù)如下：R2為20kΩ，諧振電感L1為180nH，C3為39pF，C4選18pF，C5選10pF，輸出端OUT上拉電感L4選180nH，輸出端上拉電阻R4可選50Ω。2.2MB1504前置分頻器理論分析MB1504是具有吞脈沖功能的串行輸入鎖相環(huán)頻率合成芯片，該芯片內(nèi)含一個(gè)14位可編程參考分頻器、一個(gè)分頻比可選擇(32或64)的雙模前置分頻器和一個(gè)18位的可變分頻器(由7位的吞脈沖計(jì)數(shù)器和11位的可編程計(jì)數(shù)器組成)，另外還包含一個(gè)鑒相器、一個(gè)電荷泵和兩個(gè)移位寄存器和鎖存器該芯片內(nèi)部采用吞脈沖計(jì)數(shù)技術(shù)和鑒頻鑒相技術(shù)，其工作頻率可達(dá)520MHz，因而速度快，性能穩(wěn)定，與單片機(jī)接口簡單，可用來實(shí)現(xiàn)對接收機(jī)本振信號進(jìn)行方便地設(shè)置。Q值越大，其阻帶越窄，選頻特性越好，能更好地抑制嘯聲。fosc為外接晶體振蕩器輸人參考頻率;P為前置分頻器的分頻比(由位SW決定)，當(dāng)SW為高時(shí)，P為32;當(dāng)SW為低時(shí)，P為64;N為11位可編程計(jì)數(shù)器中的預(yù)置數(shù)(范圍從16～2047);A為7位吞脈沖計(jì)數(shù)器中的預(yù)置數(shù)(范圍從0～63);R為14位可編程參考分頻器中的預(yù)置數(shù)(范圍從8～16383)。本設(shè)計(jì)中，頻率合成器的頻率范圍fout為80～88MHz，頻率間隔△f為2kHz。參考振蕩器的振蕩頻率fosc為4.096MHz，參考頻率fr等于合成器頻率間隔△f(2kHz)，所以參考分頻比R為：R=fosc/fr=2048，中心頻率為84MHz的分頻比(PN+A=fout/△f)為42000。這里采用的前置分頻比模式為÷32/33，即P=32，并由此可得：N=1312，A=16。這樣，改變N和A，即可改變輸出頻率，而改變N、R，則可改變輸出頻率和頻率間隔。3電路與程序設(shè)計(jì)3.1各部分單元電路的設(shè)計(jì)（1）本振電路原理圖圖3-1本振電路（2）混頻電路圖3-2混頻電路（3）鑒頻電路圖3-3鑒頻電路3.2程序的設(shè)計(jì)3.2.1程序流程圖主程序流程圖圖3-4流程圖4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案1、硬件測試分模塊焊接和測試電路，測試時(shí)先要測試各個(gè)模塊電路的靜態(tài)工作電壓，以確定電路連接正確，防止芯片在電路連接不正確的條件下被燒壞，然后在確認(rèn)每個(gè)模塊都可以按要求正常工作后，再逐級測試級聯(lián)，實(shí)現(xiàn)題目要求。2、硬件軟件聯(lián)調(diào)軟硬件連接起來以后，先不接入信號，測各點(diǎn)的靜態(tài)工作點(diǎn)，觀察所有的模塊電路是否正常工作，然后操作程序運(yùn)行，按照系統(tǒng)信號的流向，測試各模塊輸出的波形是否和預(yù)期的一樣。4.2測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。4.3測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))1.壓控振蕩器的輸出測試U/V0123455.5f/MHz89.793.396.8100.3104.5107.71112.1504鑒相輸出數(shù)字頻率/MHz989796模擬頻率/MHz9696.598LPF/V4.984.503.鎖相環(huán)輸出測試（1）頻率范圍測試數(shù)字頻率/MHz909596.697.5100110輸出頻率/MHz90.019596.6197.5100110.03（2）手動掃描和自動掃描利用示波器作為檢測電路，設(shè)置掃描時(shí)間。自動掃描：觀察頻率及幅度變化，與題設(shè)要求比較。檢測結(jié)果：輸出頻率為80MHz~100MHz,輸出幅度為10~100mV。手動掃描：通過按鍵設(shè)置某一特定頻率，觀察幅度變化。檢測結(jié)果：可預(yù)置在某一特定頻率，實(shí)現(xiàn)題目要求。頻譜與頻率測試信號源頻率/