2017年电赛H题 远程幅频特性测试曲线

一、题目

1.任务

设计并制作一远程幅频特性测试装置。

2.要求

1.基本要求

（1）制作一信号源。输出频率范围：1MHz-40MHz；步进：1MHz，且具有自动 扫描功能；负载电阻为600Ω时，输出电压峰峰值在5mV-100mV之间可调。

（2）制作一放大器。要求输入阻抗：600Ω；带宽：1MHz-40MHz；增益：40dB，要求在 0-40dB 连续可调；负载电阻为 600Ω时，输出电压峰峰值为 1V，且波形无明显失真。

（3）制作一用示波器显示的幅频特性测试装置，该幅频特性定义为信号的幅度随 频率变化的规律。在此基础上，利用导线将信号源、放大器、 幅频特性测试装置等三部分联接起来，由幅频特性测试装置完成放大器输出信号的幅频特性测试，并在示波器上显示放大器输出信号的幅频特性。

2.发挥部分

（1）在电源电压为+5V 时，要求放大器在负载电阻为 600Ω时，输出电压有效值为1V，且波形无明显失真。

（2）如图2所示，将信号源的频率信息、放大器的输出信号利用一条 1.5m长的双绞线（一根为信号传输线，一根为地线）与幅频特性测试装置联接起来，由幅频特性测试装置完成放大器输出信号的幅频特性测试，并在示波器上显示放大器输出信号的幅频特性。

（3）使用 WiFi 路由器自主搭建局域网，将信号源的频率信息、放大器的输出信号信息与笔记本电脑联接起来，由笔记本电脑完成放大器输出信号的幅频 特性测试，并以曲线方式显示放大器输出信号的幅频特性。

（4）其他。

二、整体设计

通过信号发生器模块（DDS）、程控放大器模块（VGA）、检波器模块、远程信号传输模块四个部分完成幅频特性检测并远程传输。

主控：stm32F103RCT6开发板

显示：LCD12864显示屏

三、信号发生器模块设计

1. 芯片选型

选择芯片为AD9910，内置14 bit DAC，支持高达1 GSPS的采样速率。AD9910采用高级DDS专利技术，在不牺牲性能的前提下可极大降低功耗。DDS/DAC组合构成数字可编程的高频模拟输出频率合成器，能够在高达400 MHz的频率下生成频率捷变正弦波形。

用户可以访问三个用于控制DDS的信号控制参数，包括：频率、相位与幅度。AD9910利用32 bit累加器提供快速跳频和频率调谐分辨率。在1 GSPS采样速率下，调谐分辨率为~0.23 Hz。这款DDS还实现了快速相位与幅度切换功能。 用户可通过串行I/O端口对AD9910的内部控制寄存器进行编程，以实现对AD9910的控制。AD9910集成了静态RAM，可支持频率、相位和/或幅度调制的多种组合。AD9910还支持用户定义的数控数字斜波工作模式。在这个模式下，频率、相位或幅度随时间呈线性变化。AD9910内置的高速并行数据输入端口能实现频率、相位、幅度或极点的直接调制，以支持更高级的调制功能。

注：信号发生器模块的设计较为复杂，故本工程所使用的模块是在某宝购买。

2. 程序设计（核心部分）

在控制时使用按键集成操作板，LCD实时显示当前信号的频率和幅值，操控便捷。

1. 控制字定义

const uchar cfr1[]={0x00,0x40,0x00,0x00};       //cfr1控制字
const uchar cfr2[]={0x01,0x00,0x00,0x00};       //cfr2控制字
const uchar cfr3[]={0x05,0x0F,0x41,0x32};       //cfr3控制字  40M输入  25倍频  VC0=101   ICP=001;
uchar profile11[]={0x3f,0xff,0x00,0x00,0x25,0x09,0x7b,0x42};       //profile11控制字 0x25,0x09,0x7b,0x42

2.发送频率值程序

void Txfrc(void)
{
    uchar m;
    CS=0;
    txd_8bit(0x0e);    //发送profile1控制字地址
    for (m=0;m<8;m++)
        txd_8bit(profile11[m]); 
    CS=1;
    UP_DAT=1;
    UP_DAT=0;
    // Delay_ms(1);
}

3.计算频偏字、频率字和发送程序

void Freq_convert(ulong Freq)
{
      ulong Temp;
      Temp=(ulong)Freq*4.294967296;//将输入频率因子分为四个字节  4.294967296=(2^32)/1000000000
      profile11[7]=(uchar)Temp;
      profile11[6]=(uchar)(Temp>>8);
      profile11[5]=(uchar)(Temp>>16);
      profile11[4]=(uchar)(Temp>>24);
      Txfrc();
}

4.发送幅度程序

void Amp_convert(ulong Amp)
{
      u16 Temp = (u16)Amp;
      profile11[1]=(uchar)Temp;
      profile11[0]=(uchar)(Temp>>8);
      Txfrc();
}

3.接线定义

AD9910接线定义

4.实际测试

AD9910可以达到5mV～700mV峰峰值连续可调，且频率在1～50Mhz连续可调，步进小于1MHz，完全满足题目要求。

自动扫描功能可以任意设置扫描频率范围，频率步进和间隔时间，使用纯按键控制，脱离计算机 ，满足题目要求。

5.实物展示

三、放大器模块设计

1. 芯片选型

选择芯片为AD8370、OPA695、OPA690，AD8370。

AD8370为程控放大器，该器件提供两个增益控制范围，可通过三线式数字接口控制，并允许用户进行精调增益控制以获得最高的接收机灵敏度。最高支持750MHz，通过单片机控制放大倍数，实现可调增益。OPA690和OPA695为运算放大器，AD8370后级调理电路，起到跟随器和减法器的作用，同时将进一步将提高放大倍数。

OPA695是一款高带宽，电流反馈型运算放大器，结合了出色的4300V/µs压摆率和低输入电压噪声的特性，精密，低成本，中频（IF）放大器。OPA695针对高增益操作进行了优化，非常适合在IF条带中缓冲表面声波（SAW）滤波器，或以低失真提供高输出功率，以用于电缆调制解调器上行线路驱动器。在较低增益下，可以获得1400 MHz的更高带宽。

OPA690运算放大器是单位增益稳定的电压反馈型运算放大器。内部架构可提供压摆率和全功率带宽，新的输出级架构以最小的裕量要求提供高电流。这些特性结合在一起可以提供出色的单电源放大。使用5V单电源，OPA690可以提供1V至4V的输出摆幅，输出电流超过150 mA，带宽为150 MHz。这些功能的组合使OPA690成为理想的宽频带放大器。

2. PCB设计

放大倍数由按键操控，精密度好，LCD实时显示，便于调试及调用。输入级已加阻抗匹配，通过三级放大实现理想的增益倍数.第一级使用AD8370进行程控放大，实现信号的初步放大，第二级使用OPA690对直流偏置进行跟随，第三级使用opa695将被放大的差模输出进行偏置，输出纯交流放大信号。各级放大器相互匹配，实现很好的放大效果。

3. 程序设计

1.写放大倍数数据dat到AD8370放大器

void writedataAD8370(u8 id, u8 dat)
{
    int i;
    AD8370_LATCH_HIGH;
    delay_us(1);
    AD8370_LATCH_LOW;

    //发送8bit数据到AD8370
    for(i = 0; i < 8; i++){
        delay_us(2);
        AD8370_CLK_LOW;
        (dat & 0x80) ? AD8370_DAT_HIGH : AD8370_DAT_LOW;    //判断dat最高位,决定数据位发送高或发送低
        delay_us(2);
        AD8370_CLK_HIGH;    //AD8370在时钟沿上升时读取1位数据
        dat <<= 1;
    }

    AD8370_LATCH_HIGH;
}

4.接线定义

• PC11——CLK
• PC12——DATA
• PC7——LATCH

5.实际测试

接受DDS发出的1～50MHz信号并且达到了40dB增益，且输出波形完美不失真，最高峰峰值可以达到1.13V，满足题目要求。

并且进一步测试可以达到最高超过100MHz的信号带宽。

6.实物展示

四、检波器模块设计

1. 芯片选型

选择芯片为AD8361，适用于最高2.5 GHz的高频接收机和发射机信号链。 该器件使用非常简单，在大部分应用中仅需2.7 V至5.5 V的单电源、电源去耦电容和输入耦合电容即可工作。输出为线性响应直流电压，转换增益为7.5 V/V均方根值。可添加一个外部滤波器电容，提升平均时间常数。相应快速，噪声极低，输出的直流信号使用示波器看不到杂波。此模块的使用过程中需要尤其注意，AD8361所能接收的信号有效值不易过高，一般不超过700mV。

2. PCB设计

直接将输出的电压数值传入stm32F103RCT6的ADC引脚就可以实现电压的探测。但是需要提前通过线性回归测算出信号有效值和输出电平之间的比例系数，以便传入单片机当中进行后续幅频特性曲线的绘制。

3.实际测试

将STM32的DAC信号作X输入，检波器模块信号输出作Y输入，使用示波器X-Y模式，并且控制AD9910进行扫频，可以将幅频特性绘制在示波器上。

4.实物展示

五、远程传输模块设计

1.方案设计

选择ESP8266模块，将单片机输出的串口信号处理后直接将频率和有效值信息传输到电脑建立的TCP服务器上，再通过Python程序根据现有的数值建立坐标系绘制出相应的幅频特性，显示在计算机上。

2.程序设计

（1）一次性将串口的信息全部读入字符串。

（2）通过字符串头判断是否位单片机发送的有效串口信息。

（3）字符串处理，提取幅度频率信息，并发送到电脑创建的TCP服务器。

（4）PC端Python程序绘图。

3.实际测试

通过路由器局域网的TCP服务器，能够较好地将STM32的幅频特性传输到PC端，并通过python实时绘制幅频特性曲线。

4.接口定义

RX——PA9

六、全家福