全国大学生电子设计竞赛

全国大学生电子设计竞

赛

Revised as of 23 November 2020

2017年全国大学生电子设计竞赛

远程幅频特性测试装置（H题）

2017年8月12日

摘要

本远程幅频特性测试装置是由信号源、放大器、幅频特性装置、电源模块等组成。本设置中信号源的输出频率范围为：1MHz~40MHz且具有自动扫描功能，步进： 1MHz;放大器的输出电压的峰值为1V,且波形无明显失真；远程幅频特性测试装置可用示波器显示放大器输出信号的幅频特性。放大器的输出信号信息与笔记本电脑连接起来时，笔记本电脑就可完成放大器输出信号的幅频特性测试，并能以曲线的方式显现出来。用设计利DDS原理由FPGA经D/A转换产生扫频信号，再经待测网络实现峰值检测和相位检测,从而完成了待测网络幅频和相频特性曲线的测量和显示。经过调试，示波器显示待测网络频率范围1MHz～40 MHz的幅频和相频特性曲线,该系统工作稳定，操作方便。

关键词：频率特性测试仪、幅频特性、相频特性、FPGA

1.方案设计与论证

单片机的选择

方案一：普通的AT89S51从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，处理对象不是字或字节而是位。不但能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。但是运算速度过慢，保护能力很差，AD、EEPROM等功能需要靠扩展,增加了硬件和软件负担

方案二：STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。还支持以太网、USB OTG和外设接口同时工作，因此，开发人员只需一颗芯片就能设计整合所有这些外设接口的网关设备。运算速度大约是51单片机的几十倍

方案三：采用以增强型80C51内核的STC系列单片机。AT89S51具有完整的输入输出、控制端口、以及内部程序存储空间。与我们通常意义上的类似，可以通过外接A/D，D/A转换电路及运放芯片实现对传感器传送信息的采集，且能够提供以点阵或LCD液晶及外接按键实现人机交互，能对内部众多连接对进行精确操控，具有强大的工控能力。其语法结构与我们常用的计算机C语言基本相同

方案选择：方案2运算速度较快，开发容易与相关设备兼容性高

整体方案设计

方案一：FFT法。这种频谱分析采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样,再经FFT处理后获得频谱分布图。它的频率范围受到ADC采集速率和FFT运算速度的限制。为获得良好的仪器线性度和高分辨率，ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍。FFT运算时间与取样点数成对数关系，频谱分析需要高频率、高分辨率和高速运算时，要选用高速的FFT硬件，或者相应的数字信号处理器(DSP)芯片。可见这种方法的优点是硬件电路简单，主要依靠软件运算，可以提高分辨率。其缺点是频率越高，对ADC和DSP芯片的速度要求越高，相应价格也越昂贵。

方案二：分段FFT。这种方法将输入信号分段，逐段进行FFT的处理，这样分段取样降低了对ADC和FFT硬件的速度要求，又可以在相对窄的频段内得到更高的频谱分辨率。但是这种方法在软件和硬件的设计和测试上显然要复杂很多。

方案三：扫频法。这种频谱分析采用外差原理，由振荡器产生一定步进频率的信号与输入信号相乘，然后由适当的滤波器将差频分量滤出以代表相应频点的幅度。振荡信号可以达到很宽的频率，与外部混频器配合，可扩展到很高频率。这种方法的突出优点是扫频范围大，硬件成本低廉，但这种方法对硬件电路要求较高，各模块性能都需要精心设计，且连接在一起整体调试时有一定难度。而且它只适于测量稳态信号的频率幅度，但获得测量结果要花费较长的时间。

根据实际条件和成本以及题意上的考虑，在满足题目要求的前提下，我们选择方案三来实现频谱分析的总体设计。

控制系统的论证与选择

方案一：采用在面包板上搭建简易单片机系统

在面包板上搭建单片机系统可以方便的对硬件做随时修改，也易于搭建，但是系统连线较多，不仅相互干扰，使电路杂乱无章，而且系统可靠性低，不适合本系统使用。

方案二：自制单片机印刷电路板

自制印刷电路实现较为困难，实现周期长，此外也会花费较多的时间，影响整体设计进程。不宜采用该方案。

方案三：采用单片机最小系统。

单片机最小系统包含了显示、矩阵键盘、A/D、D/A等模块，能明显减少外围电路的设计，降低系统设计的难度，非常适合本系统的设计。

综合以上三种方案，选择方案三。

2.系统理论分析与计算

扫频测试法理论依据

设频率响应为H(j ω)的实系数线性时，不变系统在信号x(n)_Acos(ω0n+f)激励下的稳态输出为y(n)。利用三角恒等式，可将输入表示为2个复指数函数之和：()()*()x n g n g n =+式子中

01()2jw n j f g n Ae e =对于输入为

0jw n e 线性时，不变系统稳态输出为00()jw jw n H e e 。根据线性性质可知，输入()g n 的响应()v n 为001()()2jw jw n jf v n Ae H e e ⎡⎤=

⎣⎦ 同理，输入*()g n 的输出*()v n 是()v n 的复共轭。于是得到输出结果的表达式为()()()[]0011()cos 22

jf jw jwn jf jw jwn jw y n Ae H e e Ae H e e A H e w n qw f ---=+=++ 因此，输出信号和输入信号是频率相同的正弦波，仅有两点不同：第一，振幅被

|H(ej ω)|加权，即网络系统在ω=ω0的幅度函数值；第二，输出信号相对于输入信

号有一个数量为q(ω0)的相位时延，即

网络系统在ω=ω0的相位值。

DDS 信号源

根据DDFS 原理所产生的波形频率为：式中fclk 为基准频率，M 为相位增量因子，N 为累加器的位数。M 取22,N 取24。为得到100kHz 的信号，而且在每个周期希望取到32个以上点，则累加器输出后级D ／A 转换需要至少3．2MHz 的速度，于是选取建立时间为30ns 、10位的DAC900，不仅满足了对D ／A 转换速度的要求，而且具有10位数据线，减少了D ／A 转换中固有的量化误差。fclk 取40MHz ，频率的最小步进：