全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試裝置（H題）2017年8月12日摘要本遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試裝置是由信號(hào)源、放大器、幅頻特性裝置、電源模塊等組成。本設(shè)置中信號(hào)源的輸出頻率范圍為：1MHz?40MHz且具有自動(dòng)掃描功能，步進(jìn)：1MHz;放大器的輸出電壓的峰值為1V,且波形無(wú)明顯失真；遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試裝置可用示波器顯示放大器輸出信號(hào)的幅頻特性。放大器的輸出信號(hào)信息與筆記本電腦連接起來(lái)時(shí)，筆記本電腦就可完成放大器輸出信號(hào)的幅頻特性測(cè)試，并能以曲線的方式顯現(xiàn)出來(lái)。用設(shè)計(jì)利DDS原理由FPGA經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生掃頻信號(hào)，再經(jīng)待測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)峰值檢測(cè)和相位檢測(cè)，從而完成了待測(cè)網(wǎng)絡(luò)幅頻和相頻特性曲線的測(cè)量和顯示。經(jīng)過(guò)調(diào)試，示波器顯示待測(cè)網(wǎng)絡(luò)頻率范圍1MHz?40MHz的幅頻和相頻特性曲線，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，操作方便。關(guān)鍵詞：頻率特性測(cè)試儀、幅頻特性、相頻特性、FPGATOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument".方案設(shè)計(jì)與論證 3\o"CurrentDocument"單片機(jī)的選擇 3\o"CurrentDocument"整體方案設(shè)計(jì) 4\o"CurrentDocument"控制系統(tǒng)的論證與選擇 4\o"CurrentDocument".系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 5\o"CurrentDocument"掃頻測(cè)試法理論依據(jù) 5\o"CurrentDocument"DDS信號(hào)源 6\o"CurrentDocument"相位差測(cè)量 6\o"CurrentDocument"特性曲線顯示分析 7\o"CurrentDocument".電路的設(shè)計(jì) 7\o"CurrentDocument".放大器 7\o"CurrentDocument"TLV3501比較器的設(shè)計(jì) 8系統(tǒng)總體框圖 9\o"CurrentDocument"電源 10\o"CurrentDocument"濾波電路 11\o"CurrentDocument".測(cè)試方案及測(cè)試結(jié)果 12\o"CurrentDocument"測(cè)試儀器： 12\o"CurrentDocument"測(cè)試方案： 12\o"CurrentDocument".測(cè)試結(jié)果： 13\o"CurrentDocument"6結(jié)論 13.文獻(xiàn) 14.方案設(shè)計(jì)與論證單片機(jī)的選擇方案一：普通的AT89S51從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器，處理對(duì)象不是字或字節(jié)而是位。不但能對(duì)片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理，如傳送、置位、清零、測(cè)試等，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算，其功能十分完備，使用起來(lái)得心應(yīng)手。但是運(yùn)算速度過(guò)慢，保護(hù)能力很差，AD、EEPROM等功能需要靠擴(kuò)展，增加了硬件和軟件負(fù)擔(dān)方案二：STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARMCortex-M3內(nèi)核。還支持以太網(wǎng)、USBOTG和CAN2.0B外設(shè)接口同時(shí)工作，因此，開發(fā)人員只需一顆芯片就能設(shè)計(jì)整合所有這些外設(shè)接口的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。運(yùn)算速度大約是51單片機(jī)的幾十倍方案三：采用以增強(qiáng)型80C51內(nèi)核的STC系列單片機(jī)。AT89S51具有完整的輸入輸出、控制端口、以及內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間。與我們通常意義上的微機(jī)原理類似，可以通過(guò)外接A/D，D/A轉(zhuǎn)換電路及運(yùn)放芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器傳送信息的采集，且能夠提供以點(diǎn)陣或LCD液晶及外接按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，能對(duì)內(nèi)部眾多I/O端口連接步進(jìn)電機(jī)對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行精確操控，具有強(qiáng)大的工控能力。其語(yǔ)法結(jié)構(gòu)與我們常用的計(jì)算機(jī)C語(yǔ)言基本相同方案選擇：方案2運(yùn)算速度較快，開發(fā)容易與相關(guān)設(shè)備兼容性高整體方案設(shè)計(jì)方案一：FFT法。這種頻譜分析采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)輸入信號(hào)取樣,再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。它的頻率范圍受到ADC采集速率和FFT運(yùn)算速度的限制。為獲得良好的儀器線性度和高分辨率，ADC的取樣率最少等于輸入信號(hào)最高頻率的兩倍。FFT運(yùn)算時(shí)間與取樣點(diǎn)數(shù)成對(duì)數(shù)關(guān)系，頻譜分析需要高頻率、高分辨率和高速運(yùn)算時(shí)，要選用高速的FFT硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片?？梢?jiàn)這種方法的優(yōu)點(diǎn)是硬件電路簡(jiǎn)單，主要依靠軟件運(yùn)算，可以提高分辨率。其缺點(diǎn)是頻率越高，對(duì)ADC和DSP芯片的速度要求越高，相應(yīng)價(jià)格也越昂貴。方案二：分段FFT。這種方法將輸入信號(hào)分段，逐段進(jìn)行FFT的處理，這樣分段取樣降低了對(duì)ADC和FFT硬件的速度要求，又可以在相對(duì)窄的頻段內(nèi)得到更高的頻譜分辨率。但是這種方法在軟件和硬件的設(shè)計(jì)和測(cè)試上顯然要復(fù)雜很多。方案三：掃頻法。這種頻譜分析采用外差原理，由振蕩器產(chǎn)生一定步進(jìn)頻率的信號(hào)與輸入信號(hào)相乘，然后由適當(dāng)?shù)臑V波器將差頻分量濾出以代表相應(yīng)頻點(diǎn)的幅度。振蕩信號(hào)可以達(dá)到很寬的頻率，與外部混頻器配合，可擴(kuò)展到很高頻率。這種方法的突出優(yōu)點(diǎn)是掃頻范圍大，硬件成本低廉，但這種方法對(duì)硬件電路要求較高，各模塊性能都需要精心設(shè)計(jì)，且連接在一起整體調(diào)試時(shí)有一定難度。而且它只適于測(cè)量穩(wěn)態(tài)信號(hào)的頻率幅度，但獲得測(cè)量結(jié)果要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。根據(jù)實(shí)際條件和成本以及題意上的考慮，在滿足題目要求的前提下，我們選擇方案三來(lái)實(shí)現(xiàn)頻譜分析的總體設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)的論證與選擇方案一：采用在面包板上搭建簡(jiǎn)易單片機(jī)系統(tǒng)在面包板上搭建單片機(jī)系統(tǒng)可以方便的對(duì)硬件做隨時(shí)修改，也易于搭建，但是系統(tǒng)連線較多，不僅相互干擾，使電路雜亂無(wú)章，而且系統(tǒng)可靠性低，不適合本系統(tǒng)使用。方案二：自制單片機(jī)印刷電路板

自制印刷電路實(shí)現(xiàn)較為困難，實(shí)現(xiàn)周期長(zhǎng)，此外也會(huì)花費(fèi)較多的時(shí)間，影響整體設(shè)計(jì)進(jìn)程。不宜采用該方案。方案三：采用單片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)包含了顯示、矩陣鍵盤、A/D、D/A等模塊，能明顯減少外圍電路的設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。綜合以上三種方案，選擇方案三。.系統(tǒng)理論分析與計(jì)算掃頻測(cè)試法理論依據(jù)設(shè)頻率響應(yīng)為H(j3)的實(shí)系數(shù)線性時(shí)，不變系統(tǒng)在信號(hào)x(n)_Acos(30n+f)激勵(lì)下的穩(wěn)態(tài)輸出為y(n)。利用三角恒等式，可將輸入表示為2個(gè)復(fù)指數(shù)函數(shù)之和：％(n)=g(n)+g*(n)式子中g(shù)(n)=1Aejfejw0nejwonejwon線性時(shí)，不變系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出為H(ejwo)ejwon。根據(jù)線性性質(zhì)可知，輸入g(n)的響應(yīng)^(n)為1r1rv(n)=—AejfH(ejw0)ejw0n2同理，輸入g口)的輸出口5)是cos[wn+qw+fcos[wn+qw+f]y(n)=1AejfH(ejw)ejwn+1Ae-jfH(e-jw^e-jwn=a|h2 2因此，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)是頻率相同的正弦波，僅有兩點(diǎn)不同：第一，振幅被|H(ej3)|加權(quán)，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在3=30的幅度函數(shù)值；第二，輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)有一個(gè)數(shù)量為q(30)的相位時(shí)延，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在3=30的相位值。DDS信號(hào)源根據(jù)DDFS原理所產(chǎn)生的波形頻率為： '."?式中fclk為基準(zhǔn)頻率，M為相位增量因子，N為累加器的位數(shù)。M取22,N取24。 為得到100kHz的信號(hào)，而且在每個(gè)周期希望取到32個(gè)以上點(diǎn)，則累加器輸出后級(jí)D/A轉(zhuǎn)換需要至少3.2MHz的速度，于是選取建立時(shí)間為30ns、10位的DAC900,不僅滿足了對(duì)D/A轉(zhuǎn)換速度的要求，而且具有10位數(shù)據(jù)線，減少了D/A轉(zhuǎn)換中固有的量化誤差。fclk取40MHz,頻率的最小步進(jìn)：2^=0419Hz.相位差測(cè)量設(shè)INl和IN2為兩路具有相位差經(jīng)整形后得到的方波信號(hào)，Gate2為INl和IN2經(jīng)過(guò)異或后得到的脈沖信號(hào)，F(xiàn)o為FPGA內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)高頻脈沖信號(hào)，取40MHz。將IN2八分頻，結(jié)合單片機(jī)控制，可得到一個(gè)動(dòng)態(tài)門控信號(hào)Gatel。動(dòng)態(tài)門控與脈沖信號(hào)相“與”，可得到門限內(nèi)的有限個(gè)脈沖信號(hào)Gate2oGate1中含有IN2的4個(gè)周期，Gate2含有8個(gè)異或脈沖。其中分別對(duì)clk進(jìn)行計(jì)數(shù)，分別得到計(jì)值M和N。根據(jù)公式 ? " 精確地測(cè)得相位差絕對(duì)值。其時(shí)序如圖所 示。由于對(duì)高頻脈沖計(jì)數(shù)可能存在±1的誤差:在F=100kHz時(shí)，Mmin'1600,則6max（△中）^0.9°FPGA內(nèi)部生成一個(gè)D觸發(fā)器，以INl為觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入，IN2為觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入，若觸發(fā)器輸出端為高電平，則△￥>O°；若輸出端為低電平，則△￥<0°。特性曲線顯示分析頻率范圍1M-40MHz，步進(jìn)100kHz，則有390個(gè)點(diǎn)。我們采用320*240分辨率的彩屏來(lái)顯示幅頻與相位。整個(gè)顯示圖像根據(jù)測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的點(diǎn)從+90°到-90°變化顯示。具體參數(shù)包括模式、頻率、幅度、相位、中心頻率、帶寬會(huì)在圖像側(cè)邊顯示。參數(shù)具體計(jì)算是根據(jù)幅頻響應(yīng)與相頻響模擬分析轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)分析通過(guò)單片機(jī)計(jì)算得到并在屏幕上進(jìn)行顯示。.電路的設(shè)計(jì).放大器0

0GAINTOLOAD%但）Rg胖5既FIGURE:12131416::帕204TB4/4S0446433419402384迎切0W25221S174159134113968163574840332736172D16S5159515,4014.91144714.0913.7613.33B.2313.031286127212.6012.51為了減少級(jí)數(shù)，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)手冊(cè)參考設(shè)計(jì)值在輸入50歐匹配的情況下，對(duì)于增益為20db的同相接法中，RF取174歐，RG取9歐。TLV3501比較器的設(shè)計(jì)TLV3501主要是挽輸出比較器，主要是405ns傳播延時(shí)好人操作+2.7-+5.5v，由于超出擺幅輸入共模范圍，使其更合適低電壓應(yīng)用的理想選擇同時(shí)可對(duì)TTL邏輯在10MHz情況下的輸出波形3.2系統(tǒng)總體框圖電源EP3C16Q240C8器件內(nèi)核工作電壓VCCINT為1.2V，鎖相環(huán)（PLL）所需的數(shù)字電壓為1.2V，鎖相環(huán)電壓調(diào)節(jié)器所需的模擬電壓為2.5V。該器件將所有I/O端口分為8個(gè)I/O塊一BANK1-BANK8，這樣每個(gè)I/O塊可以用3.3V,3.0V、2.5V、1.8V和1.2V幅頻特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)18等I/O端口電壓供電，滿足不同I/O電平標(biāo)準(zhǔn)。為了簡(jiǎn)化電路，本設(shè)計(jì)用3.3V電平統(tǒng)一為8個(gè)I/O塊端口供電。圖4.1電源電路圖電源電路如圖3.8所示，數(shù)字電源+5V分別經(jīng)過(guò)AMS1117-3.3VAMS1117-2.5V和BM1122-1.2V穩(wěn)壓器件降壓為3.3V、2.5V和1.2V供I/O口、PLL電壓調(diào)節(jié)器和內(nèi)核使用。PLL數(shù)字電壓VCCD_PLL是由內(nèi)核電壓VCCINT經(jīng)過(guò)LC濾波電路后的1.2V電壓。由于該器件10有4個(gè)PLL,需要了分別為其供電，因此在供電管腳之間加上去耦電容。與PLL供電情況類似，所有I/O塊的內(nèi)核電源管腳和I/O端口電源管腳之間也需要加上去耦電容來(lái)避免互相間的耦合干擾。濾波電路本設(shè)計(jì)DDS的采樣頻率通過(guò)鎖相環(huán)倍頻可達(dá)到100MHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理輸出信號(hào)的最高頻率為其一半，即50MHz，但是在實(shí)際情況中，信號(hào)的輸出頻率只能達(dá)到采樣頻率的40%，即40MHz。因此根據(jù)需要，設(shè)計(jì)一個(gè)通帶截至頻率為40MHz，通帶允許的最大衰減為0.1dB，阻帶頻率為50MHz，阻帶最小衰減為50dB，特性阻抗為200的低通濾波器。常用的濾波器按設(shè)計(jì)分為：Butterworth濾波器、Chebyshev濾波器和橢圓濾波器等。圖3.22是三種低通濾波器頻率特性響圖。從圖中可以看出，Butterworth濾波器的通帶和阻帶比較平坦，其過(guò)渡帶比較平緩；Chebyshev濾波器的通帶是等波紋抖動(dòng)的，過(guò)渡帶也比較平緩；橢圓濾波器的通帶和阻帶都是抖動(dòng)的，過(guò)渡帶是比較陡峭的。綜合比較選擇橢圓濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。Chebyshev濾波溫圖4.3低通濾波器頻率響應(yīng)對(duì)比圖Chebyshev濾波溫圖4.3低通濾波器頻率響應(yīng)對(duì)比圖0 f/H7Butterworth港波器——?f/Hzo mz橢圓濾波器11.測(cè)試方案及測(cè)試結(jié)果測(cè)試儀器：數(shù)字萬(wàn)用表DT9205,直流穩(wěn)壓源QJ-3003s、頻率特性測(cè)試儀(1MHz~150MHz)、500MHz數(shù)字示波器、100MHz雙通道數(shù)字示波器。測(cè)試方案：如圖所示，在測(cè)量帶寬及平坦度時(shí)，將信號(hào)源的輸出有效值降低到ImVrms或更低，將信號(hào)通過(guò)射頻寬帶放大器，且外接50。負(fù)載，確認(rèn)放大倍數(shù)為60dB時(shí)，再用示波器觀察，記錄無(wú)明顯失真時(shí)的帶寬和平坦度。在測(cè)量噪聲時(shí)，在射頻寬帶放大器放大60dB的情況下，將輸入端短入到地，外接50。負(fù)載下，再用示波器觀察其輸出有效值。在測(cè)量增益控制精度時(shí)，通過(guò)示波器觀察程序控制的增益值與實(shí)際增益值的誤差大小。在測(cè)量增益控制范圍時(shí)，如果測(cè)0dB或其他較低的增益時(shí)，示波器無(wú)法讀出信號(hào)大小，則應(yīng)該加大輸入信號(hào)，直到示波器可以有效辨別為止。在測(cè)60dB增益時(shí)，將輸入提高到1mVrms,確認(rèn)輸出信號(hào)是否能達(dá)到1Vrms,且不明顯失真。；12.測(cè)試結(jié)果:測(cè)試的頻率值300kHz1MHz10MHz20MHz25MHz40MHz50MHz60MHz放大器輸出有效值Vrms0.9580.9961.0501.0501.0501.0101.0101.010測(cè)試的頻率值70MH