实例介绍
【实例简介】
2017年全国大学生电子设计竞赛 H题 远程幅频特性测量装置 全国一等奖 方案 报告。图文清晰，格式整齐，内容详实。包括详尽的方案论证、理论分析与计算、电路与程序设计与测试结果。
、方案论证 (一)系统方案描述 木系统主要由信号源、放大器、幅频特性测试装置三部分构成,系统结构图如图1 所 信号源电容触摸屏 放大器 B MCU LSPL DDS 跟随器 SMA 压控 带通 后级 放大 波 C 放大 SMA SMA 线 加法器 信号源直 频率信息) 直 同交放大器 双流频率信息 轴流输出信号 输出信号 流 - SMA SMA 低诵 高通 滤波器 滤波器 幅频 路由器 凵直流 交流 特性 继电器 继电器测试 装置 检波 DAC三角波 WIFI UART SMA 笔记本 模块 MCU DAC SMA 幅度 图1系统结构图 信号源通过由微处理器控制DDS芯片产生止弦信号,绎过跟随器进行阳抗变换后 输出,通过电容触摸屏的交互界面可以设置扫频信号的幅度与频率。放大器由压控放大 器、带通滤波器和后级放大电路级联实现放大器带宽1M-40MHz,增益0-40dB连续可 调。加法器电路将信号源的频率信息与放人器的输岀信号进行叠加后通过单路双绞线传 输到幅频特性测试装置 幅频特性测试裝詈由有效值检测电路、滤波器电路、继电器电路和WFⅠ模块组 成。有效值检测芯片将放大器输出交流信号转为直流进行测量放大器输出信号的幅 度,通过测量信号源输岀的与当前扫频频率值成正相关的直流信号得到扫频源的频率 信息,微处理器内置ADC测量这两个直流信号,经过处理后,再由微处理器内置 DAC输出一路三角波扫描信号和另一路幅度信号,在示波器XY模式下显示幅频曲 线,同时通过wIHⅠ模块将数据传到远程笔记本进行幅频特性曲线显示。继电器电路完 成信号源的频率信息与放大器输出信号的双路输入与双绞线单路输入的切换,双绞线 接收端通过低通滤波器与高通滤波器区分低频的信号源频率信息与高频的敚大器的输 出信号 (二)方案比较与选择 1、信号源方案 方案一:采用锁相式频率合成器,利用PLL将VCO的输出频率锁定在所需频率上, 优点是扫频可以很高,但是电路系统较为复杂。 方突二:选择数字式信号发生器的系统方案,使用FPGA构建基于DDS原理的数 字信号源外加高速DAC输出扫频信号。优点是采用数字式信号发生器,免去了锁相式 频率合成器复杂的电路结构,但是缺点是对DAC的采样率要求较高。 方案三:使用DDS集成芯片作为1MHz40MHz正弦扫频信号,用单片机控制DDS 芯片工作。优点是输岀频率稳定,电路简单,控制方便。 比较以上方案,题目要求1MHz~40MHz的正弦扫频信号输出,扫频频率并不高, 所以采用了方案三,使用单片机控制型号为AD959的DDS集成芯片来实现信号源。 2、放大器方案 方突一:采用固定增益放大器,切换哀减网终的方法。首先由放大器实现40dB的 固定增益,再由使用可调衰减器或由继电器切换衰减网络。该方案虽然成本低,噪声小, 但是步进过大无法连续可调,并受限于电阳值精度,还引入继电器,増大电路面积 方案二:采用集成可控增益放大器,如VCA821,VCA824等。由精密电位器调整 控制电压。该方案控制可达到真正的连续可调,并且精度高。一级CA821即可实现 4dB的调整范围,电路简单,带宽足够。 比较以上方案,选择方案二,采用ⅤCA821实现放大器40dB的可变增益放大,后 级加上AD8099进行后级放大,提高最大输出电压。 3、幅频特性测试方案 方案一:使用峰值检波电路检测出扫频信号经过放大器后的幅值,利用单片机内部 ADC测定不同频率扫频信号的幅值,从而得到囁频特性曲线。 方案二:通过FPGA的外置高速ADC将扫频信号经过放大器后的波形采样,根据采 样后的波形数据得到当前频率下放大器的输出的幅度,从而得到幅频特性曲线。缺点是 对ADC的采样率要求较高。 方案三:对一段时间内频率相对恒定的放大器输出信号进行FFT计算,得到放大器 在频率氐的幅度,将扫频信号各个频点的FFT结果进行累加,得到网络的幅频特性曲 线 经过比较,方案一实现成本低,方法简单易行,故采用方案一进行幅频特性测量。 二、系统理论分析与计算 (一)幅频特性曲线的示波器显示原理 釆用示波器的ⅩY模式可以实现在示波器上显示幅频特性曲线,如图2(a)所示, Ⅹ通道代表了频率轴,输入的三角波幅度与频率值成正比,Y通道代表了幅度轴,输入 的幅度与放大器对应于Ⅹ通道频率值的放大倍数成正比。选用三角波而不是锯齿波作 为ⅹ通道的输入是为了避免示波器上显示的幅频特性曲线出现如图2(b)所示的ⅹ通 道回程的“灰线” U t (a)X通道输入三角波 (b)X通道输入锯齿波 图2幅频特性曲线的示波器显示原理 下亩幅频特性曲线在示波器X轴与Y轴上的标定进行分析。 若Ⅹ通道的灵敏度为DⅣXmv/diⅳ,Ⅹ通道输入的三角波峰值为 Umm v,信号源 扫频范围为fm~ fmaxMHz,则示波器X轴每一格(div)代表的频率间隔为 (max fmin)*Dl X/2Uxm MHz/div 若Y通道的灵敏度为 DI Xmv/div,Y通道输入的信号最大值为 UMar mv,最小 值为 UMin m V,放大器放大倍数范围为 Avmin- Amax dB,则示波器Y轴每一格(div)代 表的倍数间隔为 vmax vmil DI Y/(UYmar-UYmin )dB/div (二)双绞线传输理论分析 信号在传输吋会受到外部电磁干扰的影响,对于未纽绞的双线回路来说,两条线上 同时受到干扰电流l与影响,山于两条线和干扰源距离不同,所以对于终端的总干扰 电流b=1-h2≠0,如图3(a)所示。 在图3(b)中,在双线回路中点位置进行了一次纽绞,在中点的两边,各自存在干 扰电流和/2,h1=/1-1,h2-/2-/12。由于两段线路的条件完全相同,所以/1=l2,总干 扰电流/3-1-2-0。 总而言之,双线纽绞后的双绞线在终端抵消了两路信号的所受到的干扰。 十O (a)未纽绞的双线回路 h1 2 (b)纽绞的双线回路 图3双绞线抗干扰分析 双绞线的特性阻抗一般为100欧姆,在双绞线的前级输出阻抗和后级输入阻抗要考 虑与双绞线进行阻抗匹配,否则会影响双绞线传输带宽内信号的平坦性。 在实际制作中,本作品最终选用了六类网线中的双绞线进行信号传输,六类网线带 宽达到350Mz,完全满足题目所需的信号带宽。 (三)ADC设计 在嶇频特性测试裝置中需要得到使用微处理器的内置ADC测量有效值检测芯片的 输出直流。由于有效值检测芯片AD8361对输入信号的有效值有着7.5倍的增益,并且 输入端有50次姆阳抗匹酤衰减,所以其等效增益为3.75倍。 经过实际测量,AD8361输出的精度为50mV,即输入的最小有效值为14mⅤrms。而 STM32F767内置ADC参考电压3.3V,精度为12位,即精度可达到 3300(2^12)=1.5mV, 远小于50mV,满足最小输入幅度需求。 而由于ADC的参考电压为3.3V,所以有效值检测芯片可检测的最大有效值为 3.3/3.75-88 mrms。若扫频信号源设置输出为1mVp(3.5mⅥms),幅频特性测试装 置输出可检测的范围14-880mrms,即可测量的増益范围是12-48dB。若要调整测量的 增益范围,可以适当改变扫频源的输岀大小。而放大器在MHz~40MHz频率范围内, 幅度变化37~40dB,满足输入动态范围需求。 三、电路与程序设计 (一)电路设计 1、信号源设计 信号源的输出频率范围为IMHz~40MHz,在负载600欧姆的条件下输出幅度范闱为 5nV~100mV。AD9959芯片可以产生直接输岀高达200MHz、10位精度幅度输出的模 拟正弦波信号,完全可以满足题目条件。后级接先OPA690实现差分转单端,再接200M 无源低通滤波器进行重构滤波,最后接OPA690跟随器电路进行阻抗变换。 AGND AG、D AGND DO IOUT DO IOUIB DAC HO Wv飞 33nH OPA6D0 AGND AGND 图4信号源差分放大与低通滤波电路 2、放大器电路 要求设计带宽IMHz~40MHz,并且可调増益0-40dB,于是选取VCA821,增益控制 范围为40dB,带宽在20dB情况下有320MHz,满足要求;在要求1-4MHz带宽,需要 增加带通滤波器,此处设计无源三阶巴特沃斯滤波器,截止频率在0.98MHz和40MHz; 题日要求输入和负载电阻为600欧姆,依此阻抗计算得电感值太大,不易选取,因此要 用运放隔离。前级设置可调增益放大器ⅤCA821,调整范围设置为-18~22dB,中间级为 带通滤波器增益为-6dB,后级为AD8099,设置增益为26dB,另外算上滤波器的损耗和 输出50欧姆与负载600K姆的衰减,最大增益达到40dB,并可在0-40dB范围内调整。 对于发挥部分,仅有正5V的供电下,为了满足输出有效值1V,由于低电压供电, 高速运放不易实现,所以使用电荷泵芯片LM2776转+5V为-5V,双电源供电放大器, 电路连接简单,再增加级AD80放大器电路,可达到最大输岀有效值2.62ms,满 足输出1V有效值的要求 t 5G ND +1 图5放大器电路 3、加法器电路 本系统中需要将信号源的频率信息和放大器的输出信号整合到一条双绞线进行传输, 频率信息为0-~2V,125Hz的三角波,放大器输出信号为为1M40MHz的Vp正弦波 使用OPA690电压型高速放大器构成的加法器将两者相加输出到单路双绞线进行传输 图6中电阻取值分别R1=60092,R2=43092,R3=82092,R。=5092。 放大器输出信号增益为: (R1/(R2+R3))÷(R1/(R2+R)+R 600(430+820)(600/430+820)+50)=0.9 信号源频率信息增益: (R2+R1/R0):(R2+R1Ro+R3) =(430+600/50)÷(430+60050+820)=0.38 信号输出峰峰值为0.ⅴpp,频率信息输岀峰峰值为0.76Vpp,两者叠加后的嗝度在 OPA690电压工作范围内,能够正常传输。 在解调端只需对不同的频率进行滤波,并采样读岀,即可恢复频※信息和信号。并根 掂加法器的增益和有效值检测芯片的増益进行校正,就能获得幅频特性啪线上各个频点 的增益。 GND +w +UCI 00 Header 2 CAX-F C OPA69D GND F 101F Qlup GND 图6加法器电路 4、单路双绞线接受电路 幅度的测量由放大器输出信号的有效值得到,频率信息通过检测信号源输岀的与频 率值正相关的直流值得到,通过继电器完成信号源的频率信息与放大器输出信号的双路 输入与双绞线单路输入的切换,通过加法器电路实现电路与双路的转换,双绞线接收端 通过低通滤波器与高通滤波器区分低频的信号源频率信息与高频的放大器的输出信号 ND U2A TV4171 Diode in:48 Relay- STST D14148 双绞线直流 双绞线交流 NPN 图7单路双绞线接收电路 【实例截图】
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2017年全国大学生电子设计竞赛 H题 远程幅频特性测量装置 全国一等奖 方案 报告。图文清晰，格式整齐，内容详实。包括详尽的方案论证、理论分析与计算、电路与程序设计与测试结果。
、方案论证 (一)系统方案描述 木系统主要由信号源、放大器、幅频特性测试装置三部分构成,系统结构图如图1 所 信号源电容触摸屏 放大器 B MCU LSPL DDS 跟随器 SMA 压控 带通 后级 放大 波 C 放大 SMA SMA 线 加法器 信号源直 频率信息) 直 同交放大器 双流频率信息 轴流输出信号 输出信号 流 - SMA SMA 低诵 高通 滤波器 滤波器 幅频 路由器 凵直流 交流 特性 继电器 继电器测试 装置 检波 DAC三角波 WIFI UART SMA 笔记本 模块 MCU DAC SMA 幅度 图1系统结构图 信号源通过由微处理器控制DDS芯片产生止弦信号,绎过跟随器进行阳抗变换后 输出,通过电容触摸屏的交互界面可以设置扫频信号的幅度与频率。放大器由压控放大 器、带通滤波器和后级放大电路级联实现放大器带宽1M-40MHz,增益0-40dB连续可 调。加法器电路将信号源的频率信息与放人器的输岀信号进行叠加后通过单路双绞线传 输到幅频特性测试装置 幅频特性测试裝詈由有效值检测电路、滤波器电路、继电器电路和WFⅠ模块组 成。有效值检测芯片将放大器输出交流信号转为直流进行测量放大器输出信号的幅 度,通过测量信号源输岀的与当前扫频频率值成正相关的直流信号得到扫频源的频率 信息,微处理器内置ADC测量这两个直流信号,经过处理后,再由微处理器内置 DAC输出一路三角波扫描信号和另一路幅度信号,在示波器XY模式下显示幅频曲 线,同时通过wIHⅠ模块将数据传到远程笔记本进行幅频特性曲线显示。继电器电路完 成信号源的频率信息与放大器输出信号的双路输入与双绞线单路输入的切换,双绞线 接收端通过低通滤波器与高通滤波器区分低频的信号源频率信息与高频的敚大器的输 出信号 (二)方案比较与选择 1、信号源方案 方案一:采用锁相式频率合成器,利用PLL将VCO的输出频率锁定在所需频率上, 优点是扫频可以很高,但是电路系统较为复杂。 方突二:选择数字式信号发生器的系统方案,使用FPGA构建基于DDS原理的数 字信号源外加高速DAC输出扫频信号。优点是采用数字式信号发生器,免去了锁相式 频率合成器复杂的电路结构,但是缺点是对DAC的采样率要求较高。 方案三:使用DDS集成芯片作为1MHz40MHz正弦扫频信号,用单片机控制DDS 芯片工作。优点是输岀频率稳定,电路简单,控制方便。 比较以上方案,题目要求1MHz~40MHz的正弦扫频信号输出,扫频频率并不高, 所以采用了方案三,使用单片机控制型号为AD959的DDS集成芯片来实现信号源。 2、放大器方案 方突一:采用固定增益放大器,切换哀减网终的方法。首先由放大器实现40dB的 固定增益,再由使用可调衰减器或由继电器切换衰减网络。该方案虽然成本低,噪声小, 但是步进过大无法连续可调,并受限于电阳值精度,还引入继电器,増大电路面积 方案二:采用集成可控增益放大器,如VCA821,VCA824等。由精密电位器调整 控制电压。该方案控制可达到真正的连续可调,并且精度高。一级CA821即可实现 4dB的调整范围,电路简单,带宽足够。 比较以上方案,选择方案二,采用ⅤCA821实现放大器40dB的可变增益放大,后 级加上AD8099进行后级放大,提高最大输出电压。 3、幅频特性测试方案 方案一:使用峰值检波电路检测出扫频信号经过放大器后的幅值,利用单片机内部 ADC测定不同频率扫频信号的幅值,从而得到囁频特性曲线。 方案二:通过FPGA的外置高速ADC将扫频信号经过放大器后的波形采样,根据采 样后的波形数据得到当前频率下放大器的输出的幅度,从而得到幅频特性曲线。缺点是 对ADC的采样率要求较高。 方案三:对一段时间内频率相对恒定的放大器输出信号进行FFT计算,得到放大器 在频率氐的幅度,将扫频信号各个频点的FFT结果进行累加,得到网络的幅频特性曲 线 经过比较,方案一实现成本低,方法简单易行,故采用方案一进行幅频特性测量。 二、系统理论分析与计算 (一)幅频特性曲线的示波器显示原理 釆用示波器的ⅩY模式可以实现在示波器上显示幅频特性曲线,如图2(a)所示, Ⅹ通道代表了频率轴,输入的三角波幅度与频率值成正比,Y通道代表了幅度轴,输入 的幅度与放大器对应于Ⅹ通道频率值的放大倍数成正比。选用三角波而不是锯齿波作 为ⅹ通道的输入是为了避免示波器上显示的幅频特性曲线出现如图2(b)所示的ⅹ通 道回程的“灰线” U t (a)X通道输入三角波 (b)X通道输入锯齿波 图2幅频特性曲线的示波器显示原理 下亩幅频特性曲线在示波器X轴与Y轴上的标定进行分析。 若Ⅹ通道的灵敏度为DⅣXmv/diⅳ,Ⅹ通道输入的三角波峰值为 Umm v,信号源 扫频范围为fm~ fmaxMHz,则示波器X轴每一格(div)代表的频率间隔为 (max fmin)*Dl X/2Uxm MHz/div 若Y通道的灵敏度为 DI Xmv/div,Y通道输入的信号最大值为 UMar mv,最小 值为 UMin m V,放大器放大倍数范围为 Avmin- Amax dB,则示波器Y轴每一格(div)代 表的倍数间隔为 vmax vmil DI Y/(UYmar-UYmin )dB/div (二)双绞线传输理论分析 信号在传输吋会受到外部电磁干扰的影响,对于未纽绞的双线回路来说,两条线上 同时受到干扰电流l与影响,山于两条线和干扰源距离不同,所以对于终端的总干扰 电流b=1-h2≠0,如图3(a)所示。 在图3(b)中,在双线回路中点位置进行了一次纽绞,在中点的两边,各自存在干 扰电流和/2,h1=/1-1,h2-/2-/12。由于两段线路的条件完全相同,所以/1=l2,总干 扰电流/3-1-2-0。 总而言之,双线纽绞后的双绞线在终端抵消了两路信号的所受到的干扰。 十O (a)未纽绞的双线回路 h1 2 (b)纽绞的双线回路 图3双绞线抗干扰分析 双绞线的特性阻抗一般为100欧姆,在双绞线的前级输出阻抗和后级输入阻抗要考 虑与双绞线进行阻抗匹配,否则会影响双绞线传输带宽内信号的平坦性。 在实际制作中,本作品最终选用了六类网线中的双绞线进行信号传输,六类网线带 宽达到350Mz,完全满足题目所需的信号带宽。 (三)ADC设计 在嶇频特性测试裝置中需要得到使用微处理器的内置ADC测量有效值检测芯片的 输出直流。由于有效值检测芯片AD8361对输入信号的有效值有着7.5倍的增益,并且 输入端有50次姆阳抗匹酤衰减,所以其等效增益为3.75倍。 经过实际测量,AD8361输出的精度为50mV,即输入的最小有效值为14mⅤrms。而 STM32F767内置ADC参考电压3.3V,精度为12位,即精度可达到 3300(2^12)=1.5mV, 远小于50mV,满足最小输入幅度需求。 而由于ADC的参考电压为3.3V,所以有效值检测芯片可检测的最大有效值为 3.3/3.75-88 mrms。若扫频信号源设置输出为1mVp(3.5mⅥms),幅频特性测试装 置输出可检测的范围14-880mrms,即可测量的増益范围是12-48dB。若要调整测量的 增益范围,可以适当改变扫频源的输岀大小。而放大器在MHz~40MHz频率范围内, 幅度变化37~40dB,满足输入动态范围需求。 三、电路与程序设计 (一)电路设计 1、信号源设计 信号源的输出频率范围为IMHz~40MHz,在负载600欧姆的条件下输出幅度范闱为 5nV~100mV。AD9959芯片可以产生直接输岀高达200MHz、10位精度幅度输出的模 拟正弦波信号,完全可以满足题目条件。后级接先OPA690实现差分转单端,再接200M 无源低通滤波器进行重构滤波,最后接OPA690跟随器电路进行阻抗变换。 AGND AG、D AGND DO IOUT DO IOUIB DAC HO Wv飞 33nH OPA6D0 AGND AGND 图4信号源差分放大与低通滤波电路 2、放大器电路 要求设计带宽IMHz~40MHz,并且可调増益0-40dB,于是选取VCA821,增益控制 范围为40dB,带宽在20dB情况下有320MHz,满足要求;在要求1-4MHz带宽,需要 增加带通滤波器,此处设计无源三阶巴特沃斯滤波器,截止频率在0.98MHz和40MHz; 题日要求输入和负载电阻为600欧姆,依此阻抗计算得电感值太大,不易选取,因此要 用运放隔离。前级设置可调增益放大器ⅤCA821,调整范围设置为-18~22dB,中间级为 带通滤波器增益为-6dB,后级为AD8099,设置增益为26dB,另外算上滤波器的损耗和 输出50欧姆与负载600K姆的衰减,最大增益达到40dB,并可在0-40dB范围内调整。 对于发挥部分,仅有正5V的供电下,为了满足输出有效值1V,由于低电压供电, 高速运放不易实现,所以使用电荷泵芯片LM2776转+5V为-5V,双电源供电放大器, 电路连接简单,再增加级AD80放大器电路,可达到最大输岀有效值2.62ms,满 足输出1V有效值的要求 t 5G ND +1 图5放大器电路 3、加法器电路 本系统中需要将信号源的频率信息和放大器的输出信号整合到一条双绞线进行传输, 频率信息为0-~2V,125Hz的三角波,放大器输出信号为为1M40MHz的Vp正弦波 使用OPA690电压型高速放大器构成的加法器将两者相加输出到单路双绞线进行传输 图6中电阻取值分别R1=60092,R2=43092,R3=82092,R。=5092。 放大器输出信号增益为: (R1/(R2+R3))÷(R1/(R2+R)+R 600(430+820)(600/430+820)+50)=0.9 信号源频率信息增益: (R2+R1/R0):(R2+R1Ro+R3) =(430+600/50)÷(430+60050+820)=0.38 信号输出峰峰值为0.ⅴpp,频率信息输岀峰峰值为0.76Vpp,两者叠加后的嗝度在 OPA690电压工作范围内,能够正常传输。 在解调端只需对不同的频率进行滤波,并采样读岀,即可恢复频※信息和信号。并根 掂加法器的增益和有效值检测芯片的増益进行校正,就能获得幅频特性啪线上各个频点 的增益。 GND +w +UCI 00 Header 2 CAX-F C OPA69D GND F 101F Qlup GND 图6加法器电路 4、单路双绞线接受电路 幅度的测量由放大器输出信号的有效值得到,频率信息通过检测信号源输岀的与频 率值正相关的直流值得到,通过继电器完成信号源的频率信息与放大器输出信号的双路 输入与双绞线单路输入的切换,通过加法器电路实现电路与双路的转换,双绞线接收端 通过低通滤波器与高通滤波器区分低频的信号源频率信息与高频的放大器的输出信号 ND U2A TV4171 Diode in:48 Relay- STST D14148 双绞线直流 双绞线交流 NPN 图7单路双绞线接收电路 【实例截图】
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