2015-频谱分析仪设计报告汇编.pdf2015年的大学生电子设计大赛题目-频谱分析仪设计报告-汇编

文件名称: 2015-频谱分析仪设计报告汇编.pdf

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详细说明：2015年的大学生电子设计大赛题目-频谱分析仪设计报告-汇编，都是获得国赛一二等奖的作品E题80MHz~100MHz频谱分析仪、任务设计制作一个简易频谱仪。频谱仪的本振源用锁相环制作。频谱仪的基本结构图如图 E-1所示。信号源输入一混频滤波显示本振源频率显示图E-1频谱仪的基本结构图要求 1.基本要求制作一个基于锁相环的本振源: (1)频率范围90~110MHz; (2)频率步进100kHz; (3)输出电压幅度10~100mV,可调; (4)在整个频率范围内可自动扫描;扫描时间在1-5s之间可调;可手动扫描;还可预置在某一特定频率; (5)显示频率; (6)制作一个附加电路,用于观测整个锁定过程; (7)锁定时间小于1ms。 2.发挥部分制作一个80-100MHz频谱分析仪: (1)频率范围80~100MHz; (2)分辨率100kHz (3)可在频段内扫描并能显示信号频谱和对应幅度最大的信号频率; (4)测试在全频段内的杂散频率(大于主频分量幅度的2%为杂散频率)个数; (5)其他。三、说明在频谱仪滤波器的输出端应有一个测试端子,便于测量。 213 全国大学生电子设计竞赛优秀作品设计报告选编(2015年江苏赛区) 四、评分标准项目主要内容满分系统方案方案选择、论证 4 理论分析与计算进行必要的分析、计算电路设计设计电路与程序设计程序设计报告测试方案与测试结果表明测试方案和测试结果 4 设计报告结构及规范性图表的规范性 4 小计 20 完成第(1)项完成第(2)项 10 完成第(3)项基本完成第(4)项 10 要求完成第(5)项完成第(6)项完成第(7)项 5 小计 50 完成第(1)项 15 完成第(2)项 5 发挥完成第(3)项 15 部分完成第(4)项 10 其他 5 小计总分 120 报告1 基本信息学校名称东南大学参赛学生1 王亚露 e-naI 576572518q9.com 参赛学生2 丁晨静 e-ma il 2278427080qq,com 214 E题80MHz-100MHz频谱分析仪续表参赛学生3 杨升 e-mail ysseu.edu.cn 指导教师1 黄雷 e-mail 101001684seu.edu.cn 指导教师2 周平 e-mail caozhou163.com 获奖等级全国二等奖黄雷,女,硕士,高级工程师,长期从事本科教学及大学生课外研学指导、管理等工指导作。所指导学生多次获得国家级、省级奖项。教授课程:单片机设计及应用,电子电路教师基础,传感器设计及应用,课程设计等。主要研究方向医学电子学。简介周平,男,出生于1980年2月,博士,副教授,硕士生导师。主要研究方向为穿戴式传感、信号与图像处理。、设计方案主要内容 1.设计方案工作原理 (1)本振源方案选择方案1:采用分立元件。由于PD芯片、运放、电容、电感、变容二极管等构建的本振源对外围配置及电源的稳定性要求较高,尤其是环路滤波器的设计,影响整个PLL系统的特性,所以运放的选择至关重要;此外,VCO配置电感需要自己绕制,各芯片对电容的材质以及精度都有要求。方案2:采用集成芯片。ADF4351具有一个集成电压控制振荡器(VCO),输出频率范围为 35-4400MH。扫频步进可达1kHz,锁定时间为微秒级别,使用单片机通过SPI通信改变控制字即可实现输出电压频率的控制。由于采用变容二极管等模拟电路实现时分立元件较多,电路复杂,系统稳定性差,调试较为困难,因此选择外围元件少,性能更稳定的集成芯片,即方案2。 (2)混频器方案选择混频器是超外差式接收机的重要组成部分,其作用是将输人信号变换为频率固定的中频信号。混频器是频谱线性搬移电路,它有两个输入信号:载波信号和本地振荡信号,输出信号为中频信号。混频一般分为两种方案,可以利用二极管的非线性实现或采用集成的模拟乘法器实现。采用二极管实现时因分立元件较多,因此电路较为复杂,调试也相对困难,而模拟乘法器的电路和调试都相对容易。因此选择 ANALOG公司的AD835作为混频器。 (3)总体方案设计与论证达倍号AD83混频器心滤器输系统采用图E-1-1所示的总体方案。频谱分析仪采用外差法,其中本振信号由 VcA82压控放大]AD637有效值检波 ADF4351集成芯片产生,并且可通过VCA821 控制其输出幅度。产生的本振信号与输人信 ADF4351本振信号 A/D 号进人AD835混频器进行混频,输出信号通过单片机 4阶低通滤波器进行选择,再由AD637有效值按键320240显示检波进行幅值检测,A/D后进入单片机进行处理并显示频谱。图E-1-1总体设计方案框图 215 全国大学生电子设计竞赛优秀作品设计报告选编(2015年江苏赛区) 2.核心部件电路设计 (1)锁相环产生本振源电路采用ADF4351集成芯片,配置如图E-1-2所示三线SPI,单片机控制,可实现扫频,手动扫描或预置频率选择等所有的功能,步进可达1kHz。锁定时间为微秒级别,可观察扫描过程,同时扫描时间1~5s可控。 +A3v3 LED +A3v3 100.100MHz +A3V3 1000 C2 Ra UXOUT VTUNE 10OpF CPOUT ND oscA Ro Ro 4.7kn DATA C PORE O IuF TO.uF RF IN REFIN SW C1 InFC1InF R1 RFOUTA. SMA SIDE 2 NOP SMA SIDE 2 A3V3 RFOUTA. SMA SIDE 2 SVINI:2 .A3V3 1000 L2 C1 SSI4 100MHz FTIoHF/Toiul HEADER 2 10V AMSI117 3V3 本u5 HEADER 2 图E-1-2锁相环产生本振源电路(ADF4351) (2)幅值控制电路由于锁相环输出信号的频率为80~110M,要对该频率段的信号进行幅度控制,对芯片的频率要求高,选用VCA821完成该要求。通过控制VCA821的VG端0~2V的电压值可对输入信号进行-40~20dB的放大。 ADF4351的本振信号输出约为700mVm,要求其在10-100mVm间进行调节,即进行-369 16.9dB的放大,满足要求。具体电路见图E-1-3。 (3)混频器电路 AD835是宽带、高速、电压输出的四象限模拟乘法器,最高工作频率为250MHz,线性好, 调幅对称性好,且为电压输出,外围电路非常简单,可靠性高。输出信号W=XY+Z,将扫频信号和输入信号分别加在1脚和8脚。具体电路图见图E-1-4。 (4)检波电路 AD637为转换精度高且频带宽的真有效值转换器。AD637有效值检波电路见图E-1-5。 (5)滤波电路滤波电路是用来得到混频后纯净的中频信号,该模块由8阶低通滤波器组成,由于扫速与带宽成反比,且系统要求分辨率为100kHz,故取带宽为50kHz。为了减少除主频外其他频率的干扰,经实验验证,选取8阶滤波器满足要求。 216 E题80MHz-100MHz频谱分析仪 C RI TolHF 4300 INPUT OUTPUT V4 INPUT 2VG VREFH R2 R4 12 I-VOUTHQ NOP 50Q UNOPAR +RG 50 820 11-RG OUTPUT GND R Rs TNOP 200 NOP Li i IG vs VCA82IID VG CON IOuS C C O luF TO1uF FBI 68n100MHz J6 C 1OHF/25V HEADER3 10pF/25V 68n100MHz 图E-1-3幅值控制电路(VCA821) 0 OFFESET SET HEADER 2 Ra Rs NOP NOP CARRIER SIGNAL OUTPUT Y R, 0Q SMA SIDE 2 Rs oQ SMA SIDE 2- C MODULATION SIGNAL NOP NOP SMA SIDE 2 图E-1-4混频器电路(AD835) 217 全国大学生电子设计竞赛优秀作品设计报告选编(2015年江苏赛区) FILTER BUF IN 4 ICi OUT 5 16 BUFF IN BUFF OUT O BUF OUT RMS IN 2 NIC ZI 15 AD637 N ⊙ RMS IN C COMMON NIC 14 22uF 16v R2 R 13 50k9 OUTPUT lMΩ R OFFSET 20F 6 DEN INPUT RMS OUTII C -Vs DC OUT 4.7k22 CS .o.lH DC OUT CAV 22uF dB OUTPUT Av 16V DB OUT 8NIC nIC 9 Ra 24.3kg2 47μF +C1 24.3kg2 25V 47 25V 图E-1-5AD637检波电路 390pF ZNO, NI OPA2227 CON2 IB OPA2227 OUT R 330pl SMA SIDE 2 kao roo fc NOP SMA SIDE 2 NOP NOP 图E-1-6滤波器电路(OPA2227) 、系统软件设计分析 1.锁相环产生本振源 ADF4351数字部分包括一个10位RFR计数器、一个16位RFN计数器、一个12位FRAC 计数器和一个12位模数计数器。数据在CLK的每个上升沿时逐个输入32位移位寄存器。数据输入方式是MSB优先。在LE上升沿时,数据从移位寄存器传输至6个锁存器之一。目标锁存器由移位寄存器中的3个控制位(C3、C2和C1)的状态决定。单片机通过SPI协议改变目标锁存器的控制字即可实现相应操作。 218 E题80MHz-100Mz频谱分析仪由数据手册公式: RF=[INT+( FRAC/MOD)] x(PEp/RFDivider) 可知,当其他设置不变,R分频器设置为32,fmD=25MHz,MOD=125时,就可以根据需要的输出频率确定INT和FRAC。其中: 32 INT=RFX 5 32 FRAC=(RFX-INT)×125 25 因此,扫频期间只需改变R。寄存器的控开始) 制字即可改变输出信号的频率。选择手动模式选择自动模式预置 2.控制部分设计软件部分实现了与用户的交互,主要为:设置扫描时间选择手动、自动或预置频率模式。前两种模式设置扫描宽度、中心频率、步进频率[手动输人RFm 可设置频率步进,在自动模式下可输入扫描中显示心频率和扫描宽度。软件框图见图E-1-7。图E-1-7软件设计框图三、竞赛工作环境条件 1.设计分析软件环境 Windows10操作系统,使用 Matlab2014a、 CCSv5.4等编程设计仿真软件。 2.仪器设备硬件平台稳压源,示波器,函数信号发生器。 3.配套加工安装条件电钻,热胶枪,焊台等。四、作品成效总结分析 1.输出频率范围以及扫描时间测量选择自动模式,保持电压幅度恒定,选择频率步进为100kHz,扫描宽度为31MHz,中心频率为94.5MHz,即从79MHz扫描到110MHz,通过VCO的控制电压读取实际扫描时间,并计算误差,测量结果如表E-1-1所示。表E-1-1输出频率范围以及扫描时间测量表次数频率步进设置扫描时间扫描宽度中心频率实际扫描时间误差 /kHz /MHz /MHz 31 94.5 1.2 0.2 2 102 31 94.5 2.3 0.15 100 31 94.5 4.2 0.4 219 全国大学生电子设计竞赛优秀作品设计报告选编(2015年江苏赛区) 续表次数频率步进设置扫描时间扫描宽度中心频率实际扫描时间误差 /kHz /MHz /MHz 4 100 4 31 94.5 6.0 0.5 5 100 5 31 94.5 8.2 0.6 2.输出电压幅度测量选择预置模式,输入频率分别为80MHz、90MHz、100MHz,通过转动滑动变阻器设置幅度为30mV、50mV,测量结果如表E-1-2所示。表E-1-2输出电压幅度测量表次数设置扫描时间/s 设置频率/MHz 幅度/mV 实际幅度/mV 1 80 50 50.3 2 111 50 50.2 3 100 50.3 30 30.1 333 90 30.0 6 30 30.2 3.手动扫描保持幅度恒定,选择手动扫描,增大或减小频率,通过示波器观察输出信号的频率,确定手动扫描是否成功,测量结果如表E-1-3所示。表E-1-3手动扫描输出频率测量表次数设置频率/MHz 实际频率/MHz 是否成功 0 成功 80.5 80.5 成功 81 81 成功 4.预置频率保持幅度恒定,选择预置频率模式,通过示波器观察输出信号的频率,确定预置频率是否成功,测量结果如表E-1-4所示。表E-1-4预置频率输出测量表次数设置频率/MHz 实际频率/MHz 是否成功 80 成功 2 90 90 成功 100 100 成功 5.锁定时间保持幅度恒定,选择预置频率模式,设置频率分别为80MHz、90MHz、100MHz,通过示波 220

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