电子设计大赛报告.docx

《电子设计大赛报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子设计大赛报告.docx（26页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、201孙全国大学生电子设计竞赛设计报告简易频率特性测试仪（E题）2013年9月7日摘要该频率特性测量仪采ARM空制核心，主要由DDS滤波器、ADC?功能模块组 成。其中，数据处理包括了幅频测量以及相频测量部分。实际操作通过ARM空制来实现幅频特性和相频特性的测量，包括参数预置、点测结果的显示，以及用模拟示波器单独或同时显示幅频特性曲线和相频特性曲线。本系统采用FPGA空制的DDS芯片985领现信号发生电路，频率值与步长均能灵活准确地预置。并用 ARM控制显示。被测网络采用 RLC中心频率及带宽土达到要求。用 FPGA空制 DDS产生两路正交扫频信号，与被测网络经过乘法器后幅度改变，相位改变。经

2、过 低通滤波器和ADC专换器，最后又ARMt理显示。【关键词】DDS“ARMW“FPGA1系统方案41.1 设计任务与要求41.2 系统设计方案52系统理论分析与计算62.1 系统原理62.1.1 系统原理图62.1.2 幅频特性产生原理72.1.3 相频特性产生原理82.2 DDS 原理82.2.1 基本概念82.2.2 DDS原理框图82.2.3 工作过程82.2.4 频率才5制 82.2.5 波形存储92.2.6 实现过程92.3 滤波器的设计92.3.1 滤波器方案选择 92.3.2 滤波器设计流程图 112.3.3 滤波器设计公式 112.4 乘法器设计112.4.1 乘法器特性 1

3、12.4.2 基本理论122.5 AD9288简介122.6 被测网络设计122.6.1 RLC串联谐振电路电路图 122.6.2 RLC设计公式132.7 特性曲线显示133电路与程序设计 133.1 电路的设计133.1.1 系统总体框图143.1.2 正交扫频信号源143.1.3 乘法器163.1.4 ADC173.2 程序设计173.2.1 程序功能描述与设计思路 173.2.2 程序流程图 184测试方案与测试结果 19简易频率特性测试仪(E题）1系统方案本系统主要由DDS真块、被测网络模块、低通滤波器模块、ADC真块、特性显示模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 设计任务

4、与要求1.1.1 任务根据零中频正交解调原理，设计并制作一个双端口网络频率特性测试仪，包括幅频特性和相频特性，其示意图如图1所示。图1频率特性测试仪示意图1.1.2 要求(1)基本要求制作一个正交扫频信号源。频率范围为1MHz40MHz频率稳定度0 10-4;频率可设置，最小设置单位 100kHz正交信号相位差误差的绝对值0 5o,幅度平衡误差的绝对值0 5%信号电压的峰峰伯 1V,幅度平坦度0 5%可扫频输出，扫频范围及频率步进值可设置，最小步进100kHz;要求连续扫频输出，一次扫频时间0 2s。(2)发挥部分使用基本要求中完成的正交扫频信号源，制作频率特性测试仪。a.输入阻抗为50?,输

5、出阻抗为50?;b.可进行点频测量；幅频测量误差的绝对值0 0.5dB,相频测量误差的绝对 值0 5o；数据显示的分辨率：电压增益0.1dB,相移0.1 o。制作一个RLC串联谐振电路作为被测网络，如图2所示，其中Ri和Ro分别为 频率特性测试仪的输入阻抗和输出阻抗；制作的频率特性测试仪可对其进行线 性扫频测量。a.要求被测网络通带中心频率为20MHz误差的绝对值0 5%有载品质因数为4, 误差的绝对值0 5%有载最大电压增益-1dB;b.扫频测量制作的被测网络，显示其中心频率和 -3dB带宽，频率数据显示的分 辨率为100kHz；c.扫频测量并显示幅频特性曲线和相频特性曲线，要求具有电压增益

6、、相移和 频率坐标刻度。o-=4-i=m | I i o& i! H%！凡：O11-1oHi-rwnnmnmi-ii-rmi-i JI，口 IM niioni HI HI Krarail M图2 RLC小联谐振电路(3)其他。1.1.3 说明正交扫频信号源必须自制，不能使用商业化 DDSF发板或模块等成品，自制 电路板上需有明显的覆铜“ 2013”字样。(2) .要求制作的仪器留有正交信号输出测试端口，以及被测网络的输入、输出 接入端口。(3) .本题中，幅度平衡误差指正交两路信号幅度在同频点上的相对误差，定义为：U2 -U1 灯00% 其中 U2 U1。Ui(4) .本题中，幅度平坦度指信号

7、幅度在工作频段内的相对变化量，定义为:max-UminM100% 。min(5).参考图2,本题被测网络电压增益取:Av = 20lgUo_ 2us(6) .幅频特性曲线的纵坐标为电压增益(dB);相频特性曲线的纵坐标为相移 (o);特性曲线的横坐标均为线性频率(Hz)。(7) .发挥部分中，一次线性扫频测量完成时间0 30so 1.2系统设计方案1)方案一：采用DSP方式首先给被测网络一个能量脉冲信号 X (t),然后分别对被测网络的输出 Y(t) 和原信号X(t)进行采样，通过对采样数据进行FFT而分别得到Y(jw)和X(jw), 两者的比值即为H (jw)。当输入为单位冲击函数S时，则输

8、出为系统的单位冲激响应h，由于E(限)恒等于1,于是就有H ( j ) =:h(t)e -祖由此可得幅频特性和相频特性完整的信息方案说明：采用这种方法时要制作冲激响应 &，并对输出响应进行数据采集，再对采集的数据进行 FFT以得到H(jo)o但在实际应用中，不可能得到理想的6脉冲，虽然脉冲信号足够窄的信号可以代替 6(t),但是比较难以获得。而且 此测试方法对软件的计算能力要求比较高，必须采用微机系统，故不采用。2)方案二：直接利用已有信号源系统，比较输入输出首先设计一个扫描信号源，输出频率可步进的正弦信号，作为被测网络的输入信 号Vi,网络的输出信号为 Vo,信号源输出的频率按步进值递增，在

9、各个频率点 上，通过对幅度有效值的测量和 A/D就可以得到Vo和Vi的有效值，两者之比 就是该点的频率响应；对 Vo和Vi进行过零比较、整形，再进行相位差的测量。Vi的上升沿启动计数，Vo的上升沿停止计数，得到的时间值比上信号的周期， 就是该点的相位响应。方案说明：该方案可利用ARMM：具，减少了硬件电路，并且频率可调的信号易 于得到，可实现性明显比方案一高。所以，综合比较，最终选择方案一。2.系统理论分析与计算2.1 系统原理2.1.1 系统原理框图本系统框图如图3所示。用FPGA控制DDS产生两路扫频信号cosset和sin切ct ,与被测网络经过乘法器后幅度改变为 AQ),相位改变为仇(

10、6 )。经 过低通滤波器和ADC专换器,经ARMfe理。2.1.2 幅频特性产生原理DDS产生的两路正交信号，其中I路Acos8与被测网络经过乘法器得Axcosat+e)再分别和两路正交信号相乘得：I: A0 A(。)cos(切 ct)cos(oct+8(8)Q A0A( -)sin( ct)cos ct * )根据积化和差公式计算得：,1.一I : A0A(s)cos2sct+8t(s)+cos8t(s) 21Q: -AoA( )sin2 ct 入()sinq( ) 2经过低通滤波后得：1.I：A3A( )cosut()21.Q: -A0A( )sin.(，)2经过ADCW换进入ARMS行计

11、算：.I2 Q2 =.1 A02A( )2 cos2ut( ) 1 A02A(，)2sin27( ) = JA A( )442从而得到了幅频特性A(-)2.1.3相频特性产生原理1.q - - A0A( )sin n()-二万2二 _tan()A0A( )cos ut ()2根据q, i的正负号判断所在象限，取反三角函数得到印5),从而得到相频特性。2.2 DDS原理2.2.1 基本概念DDS(Direct Digital Frequency Synthesizer)直接数字频率合成器 ，也可叫DDFDDS是从相位的概念直接合成所需波形的一种频率合成技术。不仅可以产生不同频率的正弦波，而且可以

12、控制波形的初始相位。2.2.2 DDS原理框图(如图4)图4主要构成：内部：相位累加器，正弦查找表外围：DAC LPF(低通滤波器)2.2.3 工作过程1,将存于ROW的数字波形，经DAC形成模拟量波形。2,改变寻址的步长来改变输出信号的频率。步长即为对数字波形查表的相位增 量。由累加器对相位增量进行累加，累加器的值作为查表地址。3, DAC输出的阶,$形波形，经低通滤波，成为模拟波形。2.2.4 频率控制DD昉程：心=紫也fout输出频率，fc采样时钟，N相位累加器位宽，M频率控制字2.2.5 波形存储正弦信号相位与幅度的对应关系（如图5）1.00C7070JB30-0383-0.707-0

13、.924削M图5可以将正弦波波形看作一个矢量沿相位圆转动，相位圆对应正弦波一个周期的波形。波形中的每个采样点对应相位圆上的一个相位点。相位累加器的值作为ROM2.2.6 实现过程的地址，读取ROM勺相位幅度，实现相位到幅度的转换。2.3 滤波器的设计2.3.1 滤波器方案选择1）方案一：LC低通滤波器LC 滤波器是传统的谐波补偿装置，一般是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要；它是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多 次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联， 可对主要次谐 波(3、5、7)构成低

14、阻抗旁路；L1LC滤波基本形式2)方案二：窗函数FIR滤波器的设计方法有窗函数法、频率取样法和最优化设计法。其中窗函 数法是设计FIR滤波器最简单有效的方法，也是最常用的方法。在本次设计中， 低通滤波器的系数是借助于窗函数法完成的。 窗函数设计的思想是采用不同有限 时宽的窗函数去乘以无限长序列hd(n ),从而得到有限长序列h(n)。利用加窗函 数进行截断和平滑，实现一个物理可实现且具有线性相位的 FIR滤波器的设计目 的。FIR滤波器的窗函数法设计过程为：Hd(eB IDTFTT hd(n)_ 汐9T h (n) ”T h (eB式中：Hd(ej9为逼近的理想滤波器频率响应；hd(k)为理想

15、滤波器的单位 脉冲响应，是无限长序列。为获取实际应用的FIR滤波，需将hd(n藏断，用有限长的h(n)近似表示， 用窗函数可以得到h(n)= hd(n)*co(n)，最后得到实际FIR滤波的频率响应H(ej )。设计常用的窗函数有矩形窗、汉宁窗、海明窗、凯撒窗等。矩形窗是一种 比较容易实现的窗，本设计选择矩形窗实现。所以，综合比较，最终选择方案一。2.3.2 滤波器设计电路图U4U3U2U1CfiC16C17CISGND2.3.3滤波器设计公式带宽 B=45MHz.U2 = Uilc7,T j i j cU3 =Uilcj T综上所述，可以得到一般公式： a=Uilcj 1 广2.4 乘法器设

16、计2.4.1 乘法器特征基本功能是w=xy+z,它满足最少外部器件要求，0.1%建立时间为20 ns,直 流耦合输出电压简化使用，差分输入阻抗高，由 xyz输入。低频放大噪声：50nv./HZ。2.4.2 基本理论乘法器基于传统的形式，拥有跨导线性的核心，支持三线 xyz的线性电压转 换，是可以驱驱动负载输出的放大器。 分母的电压u由新设计的参考源提供，充 分利用超低噪声性能。下图是原理框图。-CZ INPUTWOITTPITT2.5 AD9288 简介AD928眼一款双核8位单芯片采样模数转换器(ADC,内置片内采样保持电 路，专门针对低成本、低功耗、小尺寸和易用性进行了优化。AD928睬用

17、100 MSPS 转换速率工作，在整个工作范围内都具有出色的动态性能。每个通道均可以独立工作。AD928贝需一个3 V (2.7 V至3.6 V)单电源和一个编码时钟就能充分发 挥工作性能。对于大多数应用来说，无需外部基准电压源或驱动器件。数字输出 为TTL/CMO兼容，单独的输出电源引脚支持3.3 V或2.5 V逻辑接口。编码输入 为TTL/CMO兼容，8位数字输出可以采用+3 V (2.5 V至3.6 V)电源供电。用 户可选项提供各种省电模式、数字数据格式和数字数据定时方案组合。在省电模式下，数字输出被置为高阻状态。 AD928睬用先进的CMOS：艺制造，提供48引 脚表面贴装塑料封装(

18、7x7 mm 1.4 mm 48引脚LQFP ,额定温度范围为-40 C 至+85 C工业温度范围。引脚排列设计可实现10位升级。2.6 被测网络设计2.6.1 RLC串联谐振电路电路图(如图9)C小2.6.2 RLC 设计公式LAu =? =R 令 r = R + R + RU s R R R j L j CA -U2Au _ L UsR _ j，RC.1-1 - 2LC j rCr j Lj C1.幅频响应RC2.相频特性(1 - 2LC)2 ( rC)2二 ， RC二-arctan2 一21 - LC当1-82LC=0时，电路处于串联谐振状态1谐振角频率为：0, .LC谐振频率为：f0

19、：2 二 LC-Ul Uc oL 1/ oC /l/CQ =US USR R RS S在L和C为定值的条件下，Q值仅决定于回路电阻R的大小。2.7特性曲线显示点频显示:3.电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图3.1.2 正交扫频信号源（1）电路原理图图9正交扫频信号源采用AD9854，用FPGAT生两路正交扫频信号（2）方案选择 1）方案一：选用 AD9851AD9851芯片是AD公司采用先进CMO孩术生产的最高时钟为180MHz高集 成度直接数字式频率合成器件。它由一个高速DDS厂个高速、高性能DAC以及比较器等构成一个完全数字控制可编程频率合成器 ，其时钟输入端内置一个6倍

20、 频乘法器，并且具有时钟产生功能。AD9851的原理框图如图2所示，可将其用作 一个高精度可编程的数字频率合成器和时钟生成器。当参考时钟源的频率精度很 高时，其输出数字化的模拟正弦波的频率和相位都很稳定。生成的正弦波经滤波后可直接用作频率源，也可通过内部的比较器转换成方 波作时钟源。AD9851共包含40位控制码（D39D0）,其作用是：（1）D39D35相位调制码，用 来控制AD9851的相位调制量。（2）D34控制电源模式。（3）D33是逻辑电平,一般选择逻辑00 （4）D32是6倍频选择，为1启用。（5）D31D0,用来控制AD9851输出 的频率。这32位频率控制码是由输入的频率值转换

21、过来的。当系统输入时钟频 率为180MHz寸，其输出频率分辨率接近 0.04Hz。REFCU；btta事法横粗出川I*本嘉津IX漏心口 .再传出ltS-am人工【.针小曲精图2 Al洸E的原理植图2）方案二：选用 AD9854AD985数字频率合成器是一款高度集成的器件， 采用先进的DDSJ术，内置 两个高速、高性能正交DAC共同构成一个数字可编程I与Q频率合成器。以精 密时钟源作为基准时，AD9854|g产生高度才I定的频率-相位、振幅可编程正弦和 余弦输出，可用作通信、雷达和其它许多应用中的捷变LOb创新型高速DDS内核可提供48位频率分辨率（使用300 MHz SYSCL时，调谐分辨率为

22、1仙Hz）。保 持17位则可确保该器件具有出色的无杂散动态范围 （SFDR）。AD9854勺电路架构允 许产生频率最高达150 MHz的同步正交输出信号，该输出信号能以最高每秒 1亿 新频率的速率进行数字式调谐。内部比较器可以将（经过外部滤波的）正弦波输出转换为方波，用于捷变时钟发生器应用。该器件提供两个14位相位寄存器和一 个单引脚用于BPSK作。针又t更高阶PSKS作，利用I/O接口可以实现相位变 化。12位I与QDACt创新的DDS构配合，可提供出色的宽带和窄带输出无杂 散动态范围（SFDR）。如果不需要正交功能，也可以将 QDAC8已置为用户可编程控 制DAC配置比较器时，12位控制D

23、AC有助于在高速时钟发生器应用中控制静 态占空比。两个12位数字乘法器可以对正交输出进行可编程振幅调制、开关输出形键控和精密振幅控制。该器件还具有线性调频 （Chirp）功能，便于宽带宽扫频 应用。AD985负有可编程4X至20X REFCLK乘法器电路，可以利用频率较低的 外部基准时钟在内部产生300 MHz系统时钟，这样用户实现300 MHz系统时钟源 时，既节省了费用，又解决了难题。单端或差分输入也能直接处理300 MHz时钟速率。该器件支持单引脚、传统 FSK和频谱质量增弓的频率渐变FSE AD9854 利用先进的0.35 pm CMOS术实现这一高级功能，同时采用3.3 V单电源供电

24、。 AD9854f单音频率合成器AD985引脚兼容，额定温度范围为-40 C至+85 C工 业温度范围。综上所述，9851需要用两片输出正交信号，而9854只需一片。因此，我们选用 AD98543.1.3 乘法器(1)电路原理图(2)AD835的原理特性乘法器AD835可以实现250MHzt宽内的混频，这对于我们的设计完全满足 要求。而且其输出幅度在不同频率值时相对稳定，外围电路也相对简单，不需要进行复杂的调零调试，只需要对 Z的直流输入进行相对调整即可。其中W=XXY+Z但是AD835X寸小信号的乘法较高，不易产生输出新的频率分量；鉴于此，对X和Y的输入幅度也做了相应的调整，例如本机振荡信号

25、的输入 fL经过了减 法器进行调整使之变成双极性信号， 同时由于减法器具有的一定衰减作用，把的本机振荡信号fL幅度减到mV级，使AD835获得了最佳想成效果。3.1.4 ADC(1)电路原理图国Mrft一r-i r-i r-i4 M AA DRUK KEF心温 WE押盯T MJMArcsUL_l7 E1星 匡1父Bi(2)ADC的原理特性采用9288芯片，原理特性见2.5节 AD928骑介3.2程序设计3.2.1 程序功能描述与设计思路(1) FPGA空制输出用FPGA空制DDS产生两路正交扫频信号，与被测网络经过乘法器后幅度改 变，相位改变。经过低通滤波器和 ADC专换器，最后又ARMftt

26、理显示。(2) ARM空制显示当用户发出命令时，系统经过连续传输数据，点频采集，频率设置再对接 收到的数据进行处理，之后进行曲线的显示。3.2.2 程序流程图4测试方案与测试结果四、一辈子孤单并不可怕，如果我们可以从中提炼出自由，那我们就是幸福的。许多长久的关系都以为忘记了当初所坚持与拥有的，最后又开始羡慕起孤单的人。五、恋爱，在感情上，当你想征服对方的时候，实际上已经在一定程度上被对方征服了。首先是对方对你的吸引，然后才是你征服对方的欲望。六、没有心如刀割，不再依依不舍，只有，沉默相隔七、和你在一起只是我不想给任何人机会。八、一个人总要走陌生的路，看陌生的风景，听陌生的歌，然后在某个不经意的

27、瞬间，你会发现，原本是费尽心机想要忘记的事情真的就那么忘记了。九、无论我们爱过还是就这样错过，我都会感谢你。因为遇见你，我才知道思念一个人的滋味；因为遇见你，我才知道感情真的不能勉强；因为遇见你，我才知道我的心不是真的死了； 因为遇见你，我才知道我也能拥有美丽的记忆。所以，无论你怎么对待我，我都会用心去宽恕你的狠，用心去铭记你的好。十、爱情需要的是彼此互相的照顾，当我们心爱的人累了，我们不是坐在一边不理，而是多陪对方谈谈心，对方需要什么的时候，自己尽量的满足对方的需求，至少可以让对方知道，在 自己身边的感觉是如此的温暖。十一、自从你出现彼，我才知道原来有人爱是那麽的美好十二、有的人与人之间的相

28、遇就像是流星，瞬间迸发出令人羡慕的火花，却注定只是匆匆而过。十三、有一些人，这一辈子都不会在一起，但是有一种感觉却可以藏在心里守一辈子。十四、不要轻易说爱，许下的承诺就是欠下的债！十五、不管你是多么的爱对方，但千万不可当第三者。细想，默然。因为知道，这样的故事一开始便注定了结局，一开始就注定在这个故事里，很多人会受伤。离开的总是要离开，挽留 不住，就像彼岸花，穷其一生，花叶仍是生生相错。十六、什么叫快乐？就是掩饰自己的悲伤对每个人微笑。十七、爱情与视力无关，任你看得再怎么清楚，在爱里只有模糊。因为太聪明太理智就没有办法恋爱，爱情根本是盲目的。十八、恋爱就像剪头发，这种事情不到最后是不知道结果的

29、，结果能否令每个人皆大欢喜，无人保障，但是一切都是自己的选择。十九、因为爱过，所以慈悲：因为懂得，所以宽容。二十、那些随风散落的微笑眼神，仿似落寞诗人的爱情诗句，一段一段，错落成行。孤独的钟鸣彻夜悲鸣，那些如花容颜，终不敌过时间切割的颓败，我们忧伤的仰望阳光，看流年未亡, 年华尽耗。二十一、一个人一生可以爱上很多的人，等你获得真正属于你的幸福之后，你就会明白一起的伤痛其实是一种财富，它让你学会更好地去把握和珍惜你爱的人。二十二、爱一个人，由天由人却由不得自己。不由自主只因刻骨铭心，不离不弃只因无法代替。总是心有期待，才有灯火阑珊处的望眼等待；总是情怀善待，才有心甘情愿地付出所有， 习惯的依赖。

30、也许你的世界一无所有，但在爱你人的心里，你就是全世界。珍惜一个深爱你的人，更要珍藏一颗为你融入生命的心。二十三、就在我以为一切都没有改变只要我高兴就可以重新扎入你的怀抱一辈子不出来的时候，其实一切都已经沧海桑田了，我像是一躲在壳里长眠的鹦鹉螺，等我探出头来打量这个世 界的时候，我原先居住的大海已经成为高不可攀的山脉，而我，是一块僵死在山崖上的化石二十四、幸福，不是长生不老，不是大鱼大肉，不是权倾朝野。幸福是每一个微小的生活愿望达成。当你想吃的时候有得吃，想被爱的时候有人来爱你。二十五、有时，爱也是种伤害。残忍的人，选择伤害别人，善良的人，选择伤害自己。二十六、如果，不幸福，如果，不快乐，那就放手吧；如果，舍不得、放不下，那就痛苦吧。二十七、这个世界就这么不完美。你想得到些什么就不得不失去些什么。二十八、有的人与人之间的相遇就像是流星，瞬间迸发出令人羡慕的火花，却注定只是匆匆而过。二十九、无数次在梦的意境，勾勒你的样子，那样的虔诚，和你的心灵一样，一生刻骨。三十、有叛你，你却想挽回。有人不爱你，你却讨好他。何必为爱委屈自己。一个人如真心爱你，绝不会对你忽冷忽热；一个人如真心想追你，绝不会跟你玩暧昧。与其卑微的恋爱，不如选择单身。人背