《2013电子竞赛简易频率测试仪》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2013电子竞赛简易频率测试仪（29页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2013电子竞赛简易频率测试仪简易频率特性测试仪（E题）摘要：该简易频率特性测试仪采用 STM32F103ZET核心板，主要由自制正交扫描信号源、RLC被测网络、乘法器、低通滤波等功能模块组成；测试数据包含 信号的幅频特性及相频特性，于彩屏TFT上显示。本系统利用高速DD&AD9854 模块实现信号发生电路，能输出双端口的正交信号，并可控制设置其幅值与频 率。被测网络采用RLC串联谐振电路，达到要求的网络通带中心频率。将DDS产生的正交信号和被测网络信号通过乘法器 AD835模块，经LTC1564低通滤波，利 用单片机上的片上AD进行采样，最终在彩屏上显示输出，完成对信号的幅频和 相频的简单测
2、试。关键词：STM32 DDS乘法器；滤波；TFTAbstract: The simple freque ncy tester is based on high-performa nee STM32F103ZET6 con troller, and it mai nly con sists of self-maid sig nal generator, RLCnetwork, multipliers, low-pass filter and other function blocks. The test data contains amplitude-freque ncy characteri
3、stics and phase-frequency characteristics, and will be displayed on TFT. The system uses high-speed DDS (AD9854) block as sig nal circuit, gen erat ing the dual-port quadrature sig nals, whose amplitude and freque ncy can be con trolled and set. The test n etwork is made of RLC circuit, which is abl
4、e to achieve the standardized center frequency. The quadrature signals gen erated by DDS and the sig nals un der test pass through the multiplier AD835and the LTC1564low-pass filter, and will be sampled by the 12-bit on-chip ADC. The final output is displayed on the TFT to complete the test of ampli
5、tude-freque ncy and phase-freque ncy.Keyword: STM32; DDS; multiplier; filter; TFT一、方案选择与论证31.1正交扫频信号源的设计与选择31.2乘法器模块的设计与选择31.3低通滤波器的设计与选择31.4 ADC模块的设计与选择31.5被测网络的设计与选择4二、电路设计42.1正交扫描信号源设计电路42.2模拟乘法器设计电路42.3低通滤波器设计电路42.4末级电压抬升设计电路5三、系统设计53.1方案总体设计描述53.2理论分析与计算6正交扫描信号发生器的设计6低通滤波器的设计63.2.3 RLC被测网络的设计63
6、.2.4 特性曲线显示7四、软件设计7五、系统测试85.1测试方法85.2测试工具85.3各模块测试过程85.3.1 扫频信号发生器的测试8乘法器模块的测试9输入输出阻抗的测试95.3.4 RLC被测网络的测试9六、结论10参考文献10附录10附录一：元件清单10附录二：AD9854扫描信号发生器设计电路11附录三：系统总体设计电路11附录四：主要程序清单12一、方案选择与论证1.1正交扫频信号源的设计与选择方案一：采用程控锁相环频率合成方案。方案说明：锁相环频率合成是将高稳定度和高精度的标准频率经过算术运算 产生同样稳定度和精确度的大量离散频率，在一定程度上解决了既要频率稳定 精确，又要频率
7、在较大范围内可变的问题。但该方案采用多次积分电路，这种 具有惰性特性的电路误差大，不能满足幅频曲线和相频曲线的输出要求。方案二：采用AD9854芯片搭建DDS模块电路，通过控制 AD9854寄存器可 产生编程控制的、高精度的频率信号。方案说明：AD9854是 AD公司生产的DDS专用芯片，其拥有300MHZ勺内部 时钟频率，可以进行 FSK BPSK PSK chirp、AM等的操作。AD9854数字合成器是一个利用DDS技术、两个内部高速高性能正交 DACS空制数字可编程输入 输出的综合器件。当给 AD9854加上一个确定时钟时，它可以生成高度稳定、频 率-相位-幅度可编程的正弦信号，频率分
8、辨率很高、抗干扰能力强、灵敏度高、 实用性强。综上论证比较，我们选用方案二作为正交扫频信号源的实现方式。1.2乘法器模块的设计与选择方案一：采用晶体管等分立元件搭建差分对模拟乘法器电路，通过两个晶体管输出的电压乘积项达到频率变换作用。方案说明：电路结构冗繁复杂，稳定性差，不易调节。方案二：直接采用模拟乘法器 AD835芯片。方案说明：AD835是 一款电压输出型四象限模拟乘法器，带宽高达 250MHz 很适合宽带调制和解调应用。且 AD835需要的外围电路非常少，配置方便。综上论证比较，我们选用方案二作为模拟乘法器的实现方法。1.3低通滤波器的设计与选择方案一：采用分立元件，搭建 LC低通滤波
9、器。方案说明：虽然电路结构简单，但精度不高，稳定性差。方案二：采用高精低噪运算放大器 OP07搭建截止频率为5KHz的二阶有源 低通滤波器。方案说明：可利用滤波器专用设计软件Filter Solutio ns设计，得到二阶低通有源滤波器电路的连接图和频率响应曲线。方案三：采用LTC1564芯片搭建截止频率为10KHz的十阶低通滤波器。方案说明：LTC1564是凌力尔特公司的数控滤波器芯片，可采用经典10KHz的十阶低通滤波器电路结构，设计简单，滤波效果非常好，稳定性高。综上论证比较，我们选用方案三作为低通滤波器的实现方法。1.4 ADC模块的设计与选择方案一：采用ADC芯片搭建模数转换电路。方
10、案说明：可选取合适的 ADCS片，采用经典模块电路搭建。方案二：直接利用STM3茁上的12位高速ADC模块。方案说明：本系统选用的核心板 STM32F103ZET上，自带3个12位模数转 换器，且转换时间可达1us,多达21个输入通道。由于单片机上的ADC已可以达到实验采样要求，故我们选用方案二作为ADC 模块的设计方法，可减少外部电路的焊接。1.5被测网络的设计与选择被测网络按照实验要求采用 RLC串联谐振网络设计，图示如下:0图1.1 RLC被测网络电路图RLC被测网络的元器件值详见电路理论分析。电路设计2.1正交扫描信号源设计电路正交扫描信号源采用AD9854芯片设计，电路详见附图2.2
11、模拟乘法器设计电路模拟乘法器采用AD835芯片设计，电路如下:图2.1乘法器电路2.3低通滤波器设计电路低通滤波器采用LTC1564芯片设计，搭建构成十阶的可达 10KHZ截止频率 的电路，图示如下：LJ列F1F2F33ENV-LJTHaO(KGtGZGJ皈v+glN9 p-5G1rj I*-7图2.2低通滤波器电路2.4末级电压抬升设计电路由于本系统设计检测被测网络信号为正弦波形，电压有负值，接入ADC采样前设计一电压抬升电路，图示如下：图2.3末级电压抬升电路三、系统设计3.1方案总体设计描述本方案首先设计一个正交扫描信号源，可产生相位互为正交的双端口正弦信 号，可设置信号频率的步进单位。
12、制作一个RLC串联谐振电路作为被测网络，且网络通带中心频率为20Mhz自制信号源产生的两路正弦信号和被测网络信号 通过乘法器模块，由低通滤波模块滤除高频分量，得到被测网络的频率，由 ADC 采样信号并输出显示。图3.1简易频率特性测试仪系统原理示意该方案在硬件电路设计上主要包含了 AD9854正交扫描信号发生器、AD835 模拟乘法器、LTC1564低通滤波器、末级抬升电压电路及 RLC串联谐振被测网络五个模块，通过逐个模块调试至整个系统电路连贯调试，完成基本测试实验要 求。在软件设计上利用了 ARM程工具和STM32核心开发板，软件主要包含了 对AD9854串口通信、片上ADC采样及彩屏控制
13、部分。其中,ADC模块采用STM32 板上自带12位高速ADC减少了部分硬件电路的设计，容易实现。3.2理论分析与计算正交扫描信号发生器的设计本设计的扫描信号发生器以 AD9854芯片采用DDS技术，结合单片机程控, 以产生两路正交正弦信号。设计中设置AD9854为单音模式，不仅可以调制所需频率的频率源信号，而 且可根据需要设置输出信号的幅度、频率和相位等，即通过改变ROMg输出的幅度控制字实现幅度控制，通过改变相位累加器输入端的频率控制字实现频率控制，通过改变相位累加器输出端的相位控制字实现相位控制，从而完成相应 的幅度、频率和相位的调制。设相位累加器的位数为N,相位控制字的值为Fn，频率控
14、制字的位数为 M 频率控制字的值为Fm, AD9854内部工作时钟为Fc,则最终合成信号的频率可由 式（3-1 ）来决定，合成信号的相位由式（3-2 ）来决定。(3-1)(3-2)F = ?/2 ?9 =2 ?/2 ?当AD9854的参考时钟频率为270MHz时,其频率分辨率计算：270 X 其=9.59 X10-7相位控制精度计算:3602TT = .22幅度控制范围计算:得到频率分辨率接近 完全可达到实验要求。20?og12 = 72?10-6，相位控制精度达0.022，幅度控制范围为72dB低通滤波器的设计设计截止频率为设计中为得到被测网络信号的频率特性，需要将经过乘法器后的高频分量滤
15、除,由于被测网络中心频率在 20MHz故我们选用凌力尔特公司的 LTC1564芯片, 采用经典电路，通过 Multisim 软件搭建电路并进行仿真调试， 10KHz的低通滤波器。3.2.3 RLC被测网络的设计RLC串联电路由电阻R电感L及电容C串联构成，禾I用 计被测网络电路。反映RLC电路频率特性的参数有谐振频率 其定义如下：Multisim软件设通频带宽BW和品质因数Q,1?=02?V?BW= ?- ?巾1/?0?Q =? ?(3-3)(3-4)(3-5)其中，计算通频带式（3-4）中的？?和?分别是回路电流由最大值增加和减 少3dB时所对应的上限频率和下限频率；计算品质因数式（3-5 ）中的3。= 2 n 0?。 实验要求电路的中心频率为 20MHz即?0=20MHz要求品质因数为4,可得到
