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一.系統(tǒng)方案

1.方案比較與選擇

1）信號(hào)源

方案一：使用鎖相環(huán)集成電路。
使用鑒相器和VCO集成芯片搭建鎖相環(huán)頻率合成模塊，但整體系統(tǒng)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，若設(shè)置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致鎖定時(shí)間慢、信號(hào)質(zhì)量較差。

方案二：使用集成式直接頻率合成芯片AD9959。
該直接頻率合成芯片的輸出頻率范圍在0.12Hz-250MHz之間，完全滿足題目要求的1MHz-40MHz范圍。此外，該芯片具有靈活的程序控制功能，能借助MCU輕松實(shí)現(xiàn)本題中可調(diào)點(diǎn)頻輸出與掃頻的功能要求。

綜合以上兩種方案，方案二使用簡(jiǎn)單且性能優(yōu)異，故選擇方案二。

方案一：可調(diào)多級(jí)放大器。由多級(jí)運(yùn)算放大器進(jìn)行同相或反相放大組成，通過滑動(dòng)變阻器改變反饋電阻達(dá)到0-40 dB連續(xù)可調(diào),該方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但電路中含有多個(gè)滑動(dòng)變阻器而導(dǎo)致電路冗余，不便調(diào)節(jié)。

方案二：程控衰減器 + 固定增益放大器。采用程控衰減器和固定增益放大器組合。雖然該方案控制靈活，噪聲系數(shù)小，但增益通過步進(jìn)調(diào)整而非連續(xù)可調(diào)，不滿足題目要求。

方案三：級(jí)聯(lián)電壓控制增益放大器。選用具有45 dB增益可調(diào)的可控增益放大器AD8367級(jí)聯(lián)，通過外加控制電壓的連續(xù)變化實(shí)現(xiàn)增益連續(xù)可調(diào)，電路原理簡(jiǎn)單，且控制靈活，滿足題目要求。

方案四：寬帶射頻放大器+PIN衰減器。采用寬帶射頻放大器和PIN二極管衰減器組合的結(jié)構(gòu)能夠滿足頻響差與動(dòng)態(tài)范圍的綜合指標(biāo)。但電路較為復(fù)雜，調(diào)試難度較高。

綜上可知，方案三電路原理簡(jiǎn)單，滿足題目要求且易于調(diào)試，故選擇方案三。

3）檢波電路

方案一：包絡(luò)峰值檢波器。二極管包絡(luò)檢波電路的原理較為簡(jiǎn)單，易于搭建，但是電路溫度穩(wěn)定性能很差，檢測(cè)精度不高。

方案二：集成式對(duì)數(shù)檢波器。使用集成式對(duì)數(shù)放大器AD8310搭建對(duì)數(shù)建波模塊。其響應(yīng)速度快，并可提供較寬的動(dòng)態(tài)范圍和良好的溫度穩(wěn)定性能。

綜上可知，方案二與方案一相比具有更好的線性度、更寬的動(dòng)態(tài)范圍和更強(qiáng)的溫度穩(wěn)定性，故選用方案二。

4）顯示與控制

方案一：STM32方案

采用STM32F407ZGT6 + TFT LCD + ZLG7290驅(qū)動(dòng)矩陣鍵盤。STM32F407主頻達(dá)到168MHz，且有豐富的硬件外設(shè)，具有出色的運(yùn)算性能及較高效的液晶屏驅(qū)動(dòng)能力。ZLG7290矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片采用I2C協(xié)議，可節(jié)省用單片機(jī)自身進(jìn)行按鍵掃描所造成的CPU時(shí)間與IO口資源的占用。

方案二：51單片機(jī)方案

采用STC89C52 + 12864點(diǎn)陣液晶屏。該方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但C51內(nèi)核的單片機(jī)年代久遠(yuǎn)，性能較低，可用外設(shè)接口缺乏，難以滿足本題需求。

綜合以上兩種方案，方案一性能優(yōu)越，硬件外設(shè)資源豐富，人機(jī)交互效果更好，故選用方案一。

2．方案描述

根據(jù)以上的方案比較與選擇，本系統(tǒng)最終系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框圖

二.理論分析與計(jì)算

信號(hào)源模塊采用AD9959 集成式DDS芯片實(shí)現(xiàn)。AD9959是一款高性能直接數(shù)字頻率合成器，其頻率寄存器達(dá)到32位，能提供較高的頻率精度。

其輸出頻率的計(jì)算公式如下：

其中，

為系統(tǒng)時(shí)鐘，由外部晶振輸入經(jīng)內(nèi)部倍頻為500MHz。FTW為頻率控制字，取值范圍為0 ~ 231 。若從設(shè)定頻率計(jì)算出頻率控制字，可通過乘上系數(shù) 232 / 500M = 8.589934592獲得。通過向DDS的頻率寄存器寫入控制字即可實(shí)時(shí)改變其輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)與掃頻功能。

放大器模塊通過級(jí)聯(lián)兩個(gè)高性能可變?cè)鲆娣糯笃鰽D8367。單個(gè)AD8367具有45dB的線性可變?cè)鲆娣秶�，�?jí)聯(lián)后將具有90dB的增益范圍，即使考慮衰減也可以完全滿足題目要求。AD8367用作壓控增益放大器時(shí)，設(shè)增益為

，控制電壓為

則增益的計(jì)算公式如公式（2）所示。

當(dāng)外部施加0至1V范圍的模擬增益控制電壓時(shí)，即可滿足題目0-40 dB連續(xù)可調(diào)增益的要求。

3. 對(duì)數(shù)檢波與幅頻特性曲線顯示

使用AD8310對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行對(duì)數(shù)檢波，其輸出電平與信號(hào)幅度的關(guān)系為：

其中，其中

是輸出電平，

是斜率電壓，

是輸入電壓，

是截止電壓。根據(jù)器件特性與電路設(shè)計(jì)，

為 25mV ,

為 -108dBV。只要通過信號(hào)源在輸出幅度一定的前提下進(jìn)行快速線性掃頻，對(duì)數(shù)檢波輸出電平的快速變化即可反映為幅頻特性曲線。由于示波器依賴捕獲功能來顯示波形，只要在掃頻開始時(shí)生成一個(gè)脈沖信號(hào)觸發(fā)示波器開始捕獲，在下一次掃頻開始時(shí)重復(fù)上述操作，便能截取出一個(gè)掃頻周期內(nèi)穩(wěn)定的幅頻特性曲線。顯示效果見附圖4。

三．電路與程序設(shè)計(jì)

1.電路設(shè)計(jì)

1）壓控增益放大器

為了實(shí)現(xiàn)0-40dB增益連續(xù)可調(diào)，將兩級(jí)可變?cè)鲆娣糯笃鰽D8367都搭建為壓控增益電路。由于該芯片內(nèi)部輸入阻抗為200Ω，為滿足題目指標(biāo)，需要在第一級(jí)輸入端串聯(lián)一個(gè)400Ω的電阻。通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)與可調(diào)電位器為兩級(jí)AD8367同時(shí)提供0-1V的增益控制電壓。為了使放大器在1MHz–40MHz穩(wěn)定工作，需要在其高通腳串聯(lián)一個(gè)3.3pF的外部電容以改善其性能電路。

電路原理圖見附圖1。

3）對(duì)數(shù)檢波

為了轉(zhuǎn)換正弦信號(hào)的幅度信息為直流電平，使用AD8310對(duì)數(shù)放大器搭建對(duì)數(shù)檢波電路。為使芯片在1MHz -40MHz有良好的檢波效果，需要在芯片的OFLT引腳連接一個(gè)0.1uF左右的電容到地，并在輸出端設(shè)置一個(gè)低通RC濾波器。

電路原理圖見附圖2

2.程序設(shè)計(jì)

以一塊STM32F407作為本系統(tǒng)主控芯片，其負(fù)責(zé)人機(jī)交互、DDS控制、程控衰減控制、觸發(fā)脈沖生成、AD采樣。通過一根1.5m長(zhǎng)的雙絞線與另一塊STM32F407從機(jī)MCU連接，進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字化實(shí)時(shí)發(fā)送。從機(jī)MCU通過串口IDLE中斷與DMA方式高速接收數(shù)據(jù)，并通過其內(nèi)置DAC還原出模擬電平，從而在示波器上顯示出幅頻特性曲線。

人機(jī)交互部分通過ZLG7290驅(qū)動(dòng)的矩陣鍵盤與TFT LCD液晶實(shí)現(xiàn)，可直觀地顯示系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)與參數(shù)，并提供用戶控制反饋。

1）信號(hào)源控制界面

在本界面中實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)頻輸出模式和掃頻輸出模式切換以及幅頻特性曲線的顯示。在點(diǎn)頻輸出模式下，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)為1MHz的輸出頻率1~40MHz可調(diào)，并且可以控制程控衰減器實(shí)現(xiàn)0.5dB ~ 31.5dB的可調(diào)衰減。在掃頻輸出模式下，程序默認(rèn)以0.5MHz的步進(jìn)進(jìn)行0.5 – 50 MHz的快速掃頻，并且在每一個(gè)頻點(diǎn)對(duì)對(duì)數(shù)檢波結(jié)果做一次AD采樣，并繪制在屏幕上實(shí)時(shí)出繪制幅頻特性曲線，且?guī)в兄庇^的坐標(biāo)網(wǎng)格與單位顯示。兩界面的程序流程圖分別如圖3(a) 與 3(b)所示。

顯示效果見附圖3。

圖2 信號(hào)源控制界面流程圖

2）主從通信與幅頻特性曲線的還原

主機(jī)掃頻過程中同步對(duì)檢波結(jié)果電平進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將采集結(jié)果存入緩沖區(qū)。單次掃頻結(jié)束后，通過UART異步串口協(xié)議將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)向從機(jī)全部發(fā)送。從機(jī)通過一條雙絞線接入串口接受信號(hào)，并且使用了與主機(jī)相同的波特率與緩沖區(qū)大小，以保證數(shù)據(jù)同步。當(dāng)緩沖區(qū)滿，接收數(shù)據(jù)完成，會(huì)觸發(fā)串口空閑中斷，此時(shí)即可通過內(nèi)置DAC將結(jié)果還原為電平輸出給示波器，同時(shí)在DA轉(zhuǎn)換開始的同時(shí)發(fā)送一個(gè)觸發(fā)脈沖給示波器的另一通道，以幫助示波器完成對(duì)曲線的捕獲。

圖3 從機(jī)MCU程序流程圖

四．測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

DG4162 信號(hào)源/頻率計(jì) 1臺(tái)

DS2072 示波器 1臺(tái)

DSA815 頻譜儀 1臺(tái)

測(cè)試項(xiàng)目：

詳細(xì)測(cè)試方案請(qǐng)見附錄。測(cè)試結(jié)果如表1、表2。

表1 基本要求測(cè)試結(jié)果

測(cè)量項(xiàng)目	題目指標(biāo)	完成情況	是否達(dá)標(biāo)	測(cè)試方案簡(jiǎn)述與測(cè)量儀器
1.1a 頻率范圍	1~40MHz	1~40MHz	是	點(diǎn)頻輸出 DS2072 示波器頻率計(jì)
1.1b頻率步進(jìn)	1MHz	1MHz	是	點(diǎn)頻輸出 DS2072 示波器頻率計(jì)
1.1c掃頻功能	可自動(dòng)掃頻	手動(dòng)/自動(dòng)可切換	是	點(diǎn)頻輸出 DSA815頻譜儀
1.1d輸出電壓峰峰值	5~100mV 可調(diào)	4.4mV~160mV 可調(diào)	是	點(diǎn)頻輸出 DSA815頻譜儀
1.2a 輸入阻抗	600Ω	596Ω	是	DG4162信號(hào)源 DSA815頻譜儀
1.2c增益	0~40dB連續(xù)可調(diào)	-2~46dB連續(xù)可調(diào)	是	DG4162信號(hào)源 DSA815頻譜儀

1.2d輸出電壓峰峰值	600Ω帶載 Vpp = 1V	600Ω帶載最大Vpp = 4.1V	是	DG4162信號(hào)源 DSA815頻譜儀
1.2e 波形質(zhì)量	無明顯失真	無明顯失真	是	DG4162信號(hào)源 DS2072示波器
1.3顯示幅頻特性	在示波器上顯示出幅頻曲線	能夠在示波器上顯示正確曲線	是	掃頻輸出 DS2072示波器

表2 發(fā)揮部分測(cè)試結(jié)果

測(cè)量項(xiàng)目	題目指標(biāo)	完成情況	是否達(dá)標(biāo)	測(cè)試方案簡(jiǎn)述與測(cè)量?jī)x器
2.1a 輸出電壓有效值	600Ω帶載 Vrms = 1V	600Ω帶載 Vrms = 1.2V	是	DG4162信號(hào)源 DSA815頻譜儀
2.1b波形質(zhì)量	無明顯失真	無明顯失真	是	DG4162信號(hào)源 DS2072示波器
2.2 有線信道通信	通過一條雙絞線連接從機(jī)，由從機(jī)完成幅頻特性信息輸出	能夠正常進(jìn)行主從通信，從機(jī)在示波器上顯示幅頻特性曲線	是	掃頻輸出 DS2072示波器
2.3 WIFI與上位機(jī)通信	通過WIFI連接上位機(jī)進(jìn)行幅頻特性顯示	未完成	否	略

5.結(jié)論

利用DDS與程控衰減器實(shí)現(xiàn)靈活可控的信號(hào)源，可手動(dòng)輸出頻率和幅度可調(diào)的點(diǎn)頻，也可自動(dòng)進(jìn)行快速線性掃頻。使用壓控增益放大器級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了-2-46dB增益連續(xù)可調(diào)，并有不錯(cuò)的帶載能力。使用高性能集成式對(duì)數(shù)放大器，實(shí)現(xiàn)了高動(dòng)態(tài)范圍、高穩(wěn)定性、高響應(yīng)速度的對(duì)數(shù)檢波功能。本裝置可以完成幅頻特性測(cè)試，并且通過單路數(shù)字信道進(jìn)行主從通信，通過從機(jī)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換并在示波器上顯示幅頻特性曲線。本作品完成了題目的所有基礎(chǔ)指標(biāo)和部分發(fā)揮要求，并且在一些指標(biāo)上能做到更大的范圍。

附錄

測(cè)試方案

信號(hào)源測(cè)試：

1．1頻率范圍：系統(tǒng)設(shè)置1MHz到40MHz頻率輸出，使用示波器內(nèi)置頻率計(jì)測(cè)量頻率。

1．2頻率步進(jìn)：手動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行從1MHz到40MHz進(jìn)行步進(jìn)輸出，使用示波器內(nèi)置頻率計(jì)測(cè)量頻率。

1．3掃頻功能：系統(tǒng)設(shè)置0.5MHz到50MHz掃頻輸出，幅度設(shè)置50mV，使用示波器觀測(cè)是否正常掃頻。

1．4輸出電壓峰峰值：分別在1MHz、4MHz、10MHz、20MHz、40MHz輸出頻率下，接入600Ω負(fù)載，手動(dòng)控制輸出幅度的衰減等級(jí)，使用頻譜儀測(cè)量輸出信號(hào)幅度的最小與最大值。

放大器測(cè)試：

2．1輸入阻抗：將信號(hào)源設(shè)置為600Ω阻抗輸出，先接入一個(gè)確定的600Ω阻抗負(fù)載，使用頻譜儀測(cè)量負(fù)載輸入端信號(hào)幅度；將負(fù)載換成放大器網(wǎng)絡(luò)，再次測(cè)量輸入幅度，并與之前的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2．2增益與帶載能力：將信號(hào)源設(shè)置為600Ω阻抗，接入放大器，并在放大器輸出端連接600Ω負(fù)載。分別在信號(hào)頻率1MHz、4MHz、10MHz、20MHz、40MHz下調(diào)整輸入信號(hào)幅值與增益控制電壓，使用頻譜儀測(cè)量輸出信號(hào)幅值，觀察是否達(dá)到題目指標(biāo)，并計(jì)算增益。同時(shí)使用示波器觀察輸出信號(hào)波形，觀察是否失真。

幅頻特性檢測(cè)顯示測(cè)試：

3．1對(duì)數(shù)檢波：使用信號(hào)源直接向?qū)?shù)檢波模塊輸入1MHz、4MHz、10MHz、20MHz、40MHz下5mV – 2V 峰峰值的正弦波，并測(cè)量輸出電平，計(jì)算是否滿足理論值。

3．1幅頻特性曲線顯示：設(shè)置DDS信號(hào)源循環(huán)掃頻輸出0.5MHz-50MHz，將對(duì)數(shù)檢波電平與觸發(fā)脈沖接入示波器，觀察是否能正確顯示出幅頻特性曲線。

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