全国大学生电子设计竞赛e题.docx

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全国大学生电子设计竞赛e题

2015全国大学生电子设计竞赛（e题）

摘要

据题目要求，我们设计了以锁相环为基础的高速频谱分析仪。

该频谱分析仪能够对高频信号进行有效的频谱特性分析，有高速测量、输入带宽高、转化低频段测量等优点。

分析仪其由鉴相器、DDS模块、高速分频器、环路滤波器、压控振荡器、高速低幅混频器和低通滤波器以及一块自带DSP库可用快速傅里叶变换的stm32f407最小系统版。

其中为了符合题目要求，用压控振荡器为核心，采用分频器预分频并且和以DDS为核心的外部振荡源进行比较鉴相，并且通过低通滤波反馈给压控振荡器，构成闭环回路。

此回路的输出既为要求的本振源，并且和被测信号进行混频，尔后通过滤波，被单片机采样。

并且利用单片机内部的DSP模块进行快速的傅里叶变换，从而得到被测信号的部分频谱特性。

再尔让DDS扫频输出，从而得到大量数据，构成完整的80MHz到100MHz的完整频谱特性曲线。

此后，将数据转化，在TFT屏上进行显示。

就此，扫尾完成。

关键词:

高频；闭环控制；锁相稳频；快速傅里叶变换

80MHz~100MHz频谱分析仪（E题）

【本科组】

1.系统方案

本频谱fenxiyi系统主要由鉴相器模块、分频器模块、回路滤波模块、可控振荡源模块、混频器模块、有源低通滤波模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1鉴相器模块的论证与选择

方案一：

BH141射频器

数控调频发射器可在80.0MHZ至109.9MHZ范围内任意设置发射频率，可预置13个频道，发射频率调整最小值为0.1MHZ，具有单声道/立体声控制。

但是由于步进并不是稳定的100khz，需要有相应的晶振或者外部振荡源作为参考源。

所以暂搁此方案。

方案二：

MC145152鉴相器。

MC145152－2芯片是摩托罗拉公司生产的锁相环频率合成器专用芯片.内部自带双模分频器，可对参考源分频。

并且也可对输入信号进行3到1023倍的分频。

它有两路鉴相信号输出，其中，ФR、ФV用来输出鉴相误差信号，LD用来输出相位锁定信号。

所以可方便的对相位锁定过程进行观察。

综合以上二种方案，选择方案二.

1.2分频器模块

方案一：

采用MC12017

MC12017是一款双分频选项的高速分频器，具有32和33两种分频模式。

并且输出为偏置电压，可完美符合后置电路。

方案二：

采用74hc4046

14位二进制异步计数器74HC4060，最高可至95M.但个题目要求不符，所以舍弃。

综合以上三种方案，选择方案一。

1.3回路滤波模块

方案一：

有源比例积分滤波。

在高频时有一定的增益，这对PLL捕捉有利，并且引入了一个零点，增加了环路稳定性。

但是设计有难度，设计自动控制原理迟滞特性。

方案二：

三阶无源环路滤波器

此方案简单，而且能够满足vco所需的最低电压要求，并且阶数较高，可显著降低基准频率带来的纹波。

故选择方案二。

1.4、可控振荡源模块

方案一：

采用MC1648

MC1648具有功耗低，输出频率大，外部电路简单等特点。

方案二：

采用分离元件搭建

可以很好的满足题目的要求，但是线路复杂，所以不考虑。

根据现有电路和材料及性能综合考虑，采用方案一。

1.5混频器模块

方案一：

ne602

Ne602内含双平衡振荡器（DBM）、振荡器和稳压器。

可作为乘法器。

但是无法熟练使用，故放弃。

方案二：

AD831

具有500MhzRF和LO输入带宽，并且以250Mhz的差分IF输出的地是真混频器。

使用了单电源供电，并且有成熟的使用原理图。

综合考虑采用方案一。

1.6有源低通滤波模块

方案：

采用二阶低通滤波

巴特斯沃滤波电路在小于截至频率cω的范围内，具有最平幅度的响应，而在w大于wc后，幅频响应迅速下降。

所以可以很好的符合题目的要求

2系统理论分析与计算

2.1鉴相器的局部系数的计算

鉴相器内部系数计算如下：

总分频系数

=N*32+A，现取N=64，A=0；

∴

=2048

又对R[2]=010,

所以对DDS输入波形分频为128倍。

所以Fout=

*F（dds）/128;

例如，DDS输入波形为1MHz，则输出经过锁定后应该有16MHz

2.2回路滤波器的计算

图1环路滤波器

图3系统总体框图

3.1.2本振源子系统自系统框图和电路原理图

1、本振源子系统框图

图4本振源子系统框图

图5本振源子系统电路

3.1.3混频滤波子系统框图和电路原理图

1、混频滤波子系统框图

图6混频滤波子系统框图

2、混频滤波子系统原理图

图7AD835混频模块原理图

图8低通滤波模块原理图

3.1.4电源

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。

为整个系统提供

5V或者

12V电压，确保电路的正常稳定工作。

这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。

3.2程序的设计

3.2.1程序功能描述与设计思路

1、程序功能描述

软件部分通过stm32f103控制AD9850DDS模块，然后通过改变参考振荡元改变锁相环的输出频率。

之后再通过串口模块把DDS频率信息传输给stm32f429，尔后stm32f429对波形进行AD采集，再通过FFT变换得到被测波形的频谱特性数据。

快速傅里叶变换为基4的1024个数据点处理模式。

在采样率2MHz的频率下可以做到1Mhz的被测信号频谱采集速率。

从而在二十个扫描周期中最终测量得到被测信号的完整频谱特性。

图9快速傅里叶变换后特性曲线

3.2.2程序流程图

1、主程序流程图

图10主程序流程图

4测试方案与测试结果

4.1测试方案

对电路模块测试之前，先确保供电和全部连线的正确无误。

然后按照要求以沿信号链的方式对模块进行逐个测量，并且将数据记录成表，进行分析。

尔后再按照题目要求进行微小调节，直到符合要求。

4.2测试条件与仪器

测试条件：

按照信号链，重复检查，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同

测试仪器：

高精度数字毫伏表，数字万有表，直流电源，泰克DP04034B混合信号示波器，乐达LPS305D直流电源供应器（30V,5A）,惠普HPS648高频函数信号发生器。

4.3测试结果及分析

4.3.1测试结果（数据）

1.DDS输出频率和MC1648输出波形频率（单位/MHz）

DDS输出频率

MC1648输出波形

DDS输出频率

MC1648输出波形

3.3

90.67

5.5

94.49

3..6

92.37

5.9

99.24

3.8

92.64

6.5

103.7

4.3

95.11

6.6

103.7

4..7

97.33

6.8

109

5.1

97.81

6.9

110

4.3.2测试分析与结论

根据上述测试数据，结合题目具体要求，得出以下结论：

1、本作品可以通过DDS控制达到对于本振源预设的90MHz~110MHz控制，但是幅值变化不综上所述，本设计达到设计要求。

但是由于频率变化不成线性，之后通过反复论证得出，该现象是因为无源环路滤波无法达到所能期望的VCO最高输出波形，所以会在达到最高幅值的时候出现增速衰减的情况。

所以可以用有源滤波的方法则可解决该问题

附录：

PCB电路原理图

参考文献：

[1]刘征宇编著,《电子设计竞赛指南》[M].北京:

福建科学技术出版社2005年7

[2][日]TI公司,.德州仪器高性能模拟器件高校运用指南[M].2015

[3]谭博学,苗汇静.集成电路原理及应用[M].北京:

电子工业出版社,2011