脉冲信号放大测试和变换省赛报告.docx
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脉冲信号放大测试和变换省赛报告
江西省第二十届电子电脑科技大赛
电子设计竞赛自选赛设计报告
题目：
脉冲信号放大、测试和变换（A题）
学校：
江西财经大学电子学院
参赛队员姓名：
洪晨晖李东辉徐朝康
赛前指导教师：
陈滨黄坚邓海
摘要：
本设计完成了一套能够实现脉冲信号放大、测试和变换功能的电路系统。
脉冲信号由AT89S52产生，信号输出占空比为10%，频率为10Khz。
首先脉冲信号通过衰减，放大和AD转换，然后通过快速傅里叶变换（FFT）运算，在时域和频域对连续脉冲信号各个分量标进行分析和处理，最后通过高分辨率的LCD对信号的频谱进行显示。
该系统不但能够使信号衰减、放大之后精确输出上升沿在2us内的10Khz的信号，而且能在LCD屏上显示信号频谱，完成了赛题提出的各项基本要求和发挥部分要求。
关键词：
脉冲衰减放大快速傅里叶变换频谱
Abstract:
Thisdesignhasasetofcompletionwhichcanachievepulseamplification,testingandtransformfunctionofcircuitsystem.Thepulsesignalamplification,testingandconverteranalyzerisoutputdutycyclefrom1/10frequencyof10KhzsignalbyAT89S51,throughtheattenuation,amplificationandADconversionforsignalsampling,thecontinuoussignaldiscrete,andthenthroughtheFFTfastFouriertransformcomputing,inthetimedomainandfrequencydomainofthevariousaudiofrequencysignalweightandpower,andotherindicatorsforanalysisandprocessing,andthenthroughthehigh-resolutionLCDdisplaysignalsinthespectrum.Thesystemcanaccuratelycontroltheoutputrisingedgewithin200nsafterthepulsesignalamplification,testingandconverteranalyzer.Itisanidealpulsesignalamplification,testingandconvertersolution.
Keyword:
PulseAttenuationEnlargeFFTSpectrum
1系统设计3
1.1设计要求--------------------------------------------------------------------------------------------------3
1.1.1任务--------------------------------------------------------------------------------------------------3
1.1.2要求---------------------------------------------------------------------------------------------------3
1.2总体方案论----------------------------------------------------------------------------------------------3
1.2.1设计思路------------------------------------------------------------------------------------------4
1.2.2方案论证---------------------------------------------------------------------------------------------4
1.2.2.1脉冲信号产生电路方法比较与选择--------------------------------------------------------4
1.2.2.2脉冲信号的衰减方法比较与选择--------------------------------------------------------4
1.2.2.3脉冲信号的放大方法比较与选择-------------------------------------------------------4
1.2.2.4A/D转换方法比较与选择----------------------------------------------------------------5
1.2.2.5数据存储方法比较与选择-----------------------------------------------------------------5
1.2.2.6D/A转换比较与选择------------------------------------------------------------------------5
1.2.2.7采样方法比较与选择-----------------------------------------------------------------------5
2系统设计
2.1总体设计6
2.2单元电路设计6
2.2.1脉冲信号产生模块设计6
2.2.2信号衰减模块设计7
2.2.3信号放大模块设计8
2.2.4转换电路设计---------------------------------------------------------------------------------------10
2.2.5数据存储电路设计--------------------------------------------------------------------------------11
2.2.6D/A转换电路设计---------------------------------------------------------------------------------11
2.2.7FFT变换及显示模--------------------------------------------------------------------------------11
3软件设计12
4系统测试14
5结论16
参考文献：
17
附录：
18
附1：
元器件明细表：
18
附2：
仪器设备清单18
附3：
电路图图纸19
1系统设计
1.1设计要求
1.1.1、任务
制作一个脉冲信号产生衰减放大变换及测试电路。
1.1.2、要求
1、脉冲信号发生：
要求信号脉冲频率为10kHz，脉冲宽度为10us，上升沿宽度小于2us；
2、脉冲信号衰减：
输出幅度小于10mV；
3、脉冲信号放大：
输出能使A/D很好工作且上升沿时间小于2s；
4、脉冲信号A/D转换存储及D/A转换：
能完成信号的存储，且能很好的观察上升时间；
5、扩展发挥部分：
通过MCU的编程来实现信号的FFT变换，同时能够正确地显示信号的频谱，并将信号的频谱显示在液晶屏上。
1.2、总体设计方案论证
1.2.1、设计思路
题目要求设计并制作一个脉冲信号放大变换和检测电路系统，该系统具有脉冲信号产生，信号衰减放大以及信号A/D转换存储以及D/A转换等功能，且信号能进行FFT变换，并将其频谱显示在LCD屏上。
当今仪器设备正往可视化、智能化、界面化的方向发展。
因此我们的设计思路就是在实现基础部分的情况下，将FFT信号的频谱在LCD上进行显示。
1.2.2方案论证
1.2.2.1脉冲信号产生电路方法比较与选择
方案一、采用555电路产生脉冲信号
利用555电路产生多谐振荡，由555电路来提供脉冲信号，其工作特点是电路不具有稳定状态，但是具有两个暂稳态，不需外加触发信号，电路就能自动产生矩形波的输出，电路在两个暂稳态之间来回转换。
该电路功能灵活、适用范围广,只要在外部配上几个适当的阻容元件,就可以很方便地构成多谐振荡器。
方案二、利用单片机产生脉冲信号
利用AT89S51产生脉冲信号，其工作特点是可以方便的设置脉冲信号的占空比及其脉冲周期，且电路简单，外围器件少，易于编程实现。
充分利用单片机灵活的编程设计。
本电路中，采用方案二，利用AT89S51产生脉冲信号，由于方案设计要求产生脉冲信号为10kHz的脉冲信号，且其占空比为10%，利用单片机灵活的编程设计，可以使得达到设计所需要的要求。
1.2.2.2脉冲信号的衰减方法比较与选择
方案一、电阻分压衰减网络
采用电阻分压衰减网络来进行分压，其优点是电路简单，易于实现，缺点是在高频段工作时不能起到频率补偿的作用。
直接耦合电路中因为没有电容，易于集成，且能用于直流放大。
但其缺点是各级间工作点相互影响。
所以直接耦合放大器多用于变化缓慢的直流信号放大和集成器件中。
方案二、电阻电容衰减网络
采用电阻电容分压衰减网络进行衰减，其电路结构也较易实现，同时由电阻和电容组成的衰减网络还具有频率补偿的作用。
各级工作点相互独立，只要耦合电容容量合适，放大器交流信号损失就很小，放大倍数较高，易于调整，分离元件的多级放大器常用此耦合方式。
缺点是：
不能放大直流，不易集成。
本电路中采用电阻电容衰减网络，由于电容的接入，使得该衰减网络具有频率补偿的作用，同时能够将输入的脉冲信衰减1000倍，从而达到输出的幅度小于10mv的要求。
1.2.2.3脉冲信号的放大方法比较与选择
方案一、采用单级放大
单级放大电路电路组成简单，易于实现，但是放大倍数小，不易于实现大增益的放大电路。
方案二、采用多级放大
多级放大器的放大倍数应为各级放大器放大倍数的乘积，且在计算每一级电压放大倍数时要考虑前后级之间的影响。
可以把前一级的开路电压和输出电阻作为后一级的信号源来考虑，也可以将后一级的输入电阻作为前一级的负载来考虑。
本电路中采用方案二的多级放大电路的方式，单级放大器难以满足设计中所需要的增益以及输入输出电阻的要求，采用多级放大的方式。
可以提高增益的倍数，从而满足要求。
1.2.2.4A/D转换方法比较与选择
方案一：
用电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。
一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。
如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。
方案二：
采用压频变换型芯片
AD805E是压频变换型芯片，从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。
其优点是分辩率高、转换速度快、功耗低、价格低。
1.2.2.5数据存储方法比较与选择
方案一、
用DDS芯片配合FIFO对信号进行采集，通过DDS集成芯片产生一个频率稳定度和精度相当高的信号作为FIFO的时钟，然后由FIFO对A/D转换的结果进行采集和存储，最后送MCU处理。
方案二、
直接由32位MCU的定时中断进行信号的采集，然后对信号分析。
由于32位MCU-LPC2148是60M的单指令周期处理器，所以其定时精确度为16.7ns,已经远远可以实现我们的40.96KHz的采样率，而且控制方便成本便宜，所以我们选择由MCU直接采样。
1.2.2.6D/A转换比较与选择
方案一：
电压输出型DA转换器虽有直接从电阻阵列输出电压的，但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出。
直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载，由于无输出放大器部分的延迟，故常作为高速DA转换器使用。
方案二：
电压输出型DA转换器很少直接利用电流输出，大多外接电流—电压转换电路得到电压输出。
在该模块中同时选用具有电压输出型和电流输出型的DA转换芯片LTC1688进行DA转换。
1.2.2.7采样方法比较与选择
由于快速傅立叶变换FFT算法设计大量的浮点运算，由于一个浮点占用四个字节，所以要占用大量的内存，同时浮点运算时间很慢，所以采用普通的8位MCU一般难以在一定的时间内完成运算，所以综合内存的大小以及运算速度，我们采用Philips的32位的单片机LPC2148，它拥有32K的RAM，并且时钟频率高达60M，所以对于浮点运算不论是在速度上还是在内存上都能够很快的处理。
2系统设计
2.1总体设计
脉冲信号由AT89S51单片机通过软件方式产生，输出占空比为10%，频率为10kHz的脉冲信号。
脉冲信号输出后经阻容衰减网络将信号衰减1000倍，使得衰减后输出电压小于10mv，衰减电压首先经一级电压跟随，该电压跟随器由ADA4817芯片组成，然后再经过两级放大，该两级放大均采用了LMH6624芯片，该芯片是美国国家半导体公司推出的一种超低噪声宽带运算放大器ＩＣ。
该器件的主要应用领域包括仪器传感器放大器、超声预放大器、磁带与磁盘前置放大器、宽带有源滤波器、专业音频系统、光纤放大器及医疗诊断系统等。
经两级放大后可达到满足要求的电压，使得其上升沿时间小于2us。
放大后的信号输入至ADS805E芯片将行AD转换，将模拟信号转换为数字信号，数字信号输出分为两路，一路输入至FPGA进行存储，且存储后经LTC1668DA转换芯片行DA转换，将数字信号转换为模拟信号输出，用示波器观察模拟信号；另一路则通过MCU平台进行FFT转换，观察期频谱，并通过显示屏显示其频谱。
系统总体设计框架图如图2.1.1所示：
2.1.1总体设计框架图
2.2单元电路设计
2.2.1脉冲信号产生模块
2.2.1脉冲信号产生电路
该模块采用单片机最小系统产生频率为10Khz，占空比为10%，幅值为5.12v的信号。
通过软件的设计，使得脉冲信号由P1.0口输出，经高速三极管9018输出上升沿可调的信号，可调区域为100ns——1.5us。
该脉冲信号具有纹波系数小，稳定且上升沿时间可调的优点，使得其输出信号满足设计所需的要求。
脉冲信号产生电路如图2.2.1所示。
2.2.2信号衰减模块
该模块采用电阻电容分压衰减网络进行衰减，其电路结构也较易实现，同时由电阻和电容组成的衰减网络还具有频率补偿的作用。
各级工作点相互独立，只要耦合电容容量合适，放大器交流信号损失就很小，放大倍数较高，易于调整，分离元件的多级放大器常用此耦合方式。
该模块采用电阻电容衰减网络，由于电容的接入，使得该衰减网络具有频率补偿的作用，同时能够将输入的脉冲信衰减1000倍，从而达到输出的幅度小于10mv的要求。
信号衰减模块如图2.2.2所示。
图2.2.2信号衰减电路
2.2.3信号放大模块
第一级放大器采用ADA4817芯片，该芯片具有带宽宽噪声低的特点，第一级放大器的增益为1，该级放大器组要起到电压跟随的作用，但是第一级放大器具有很大的输入阻抗，从而保证了后面放大器的输入阻抗不受影响。
（第一级放大电路如图2.2.3-a所示）在第一级输入前采用的是交流耦合的方式，从而使得交流信号在高频段能消除漂移所带来的影响。
第二级放大和第三级放大则均采用超低噪声宽带运算放大器LMH6624，ＬＭＨ６６２４是美国国家半导体公司推出的一种超低噪声宽带运算放大器ＩＣ。
该器件的主要应用领域包括仪器传感器放大器、超声预放大器、磁带与磁盘前置放大器、宽带有源滤波器、专业音频系统、光纤放大器及医疗诊断系统等。
使用±２．５～±６Ｖ双电源或５～１２Ｖ单电源工作，且增益带宽（ＧＢＷ）达1.5ＧＨｚ输出电压摆幅在ＶＳ为±６Ｖ下的典型值为±４．９Ｖ，输出电流典型值是１００ｍＡ，输出短路电流为１５６ｍＡ。
通过控制信号改变反馈电阻的大小可以控制增益的大小，从而使得增益为可调。
经过第三级放大后输出的信号能够使AD很好的工作，同时也保证了其上升沿的时间小于2us。
第二级以及第三级放大电路如图2.2.3-b所示。
图2.2.3-a第一级放大电路
图2.2.3-b第二级第三级放大电路
2.2.4转换电路设计
该模块中采用的ADS805E芯片是一个12位20MSPSADC转换芯片，其具有内部/外部参考、2至5Vpp之间的灵活I/P、超出范围指示信号和引脚相互兼容。
其应用电路如图2.2.4所示。
图2.2.4A/D转换电路
2.2.5数据存储电路设计
该模块中的数据存储电路采用FPGA内部的FIFO单元电路进行存储，数据存储在FPGA的FIFO单元中，FIFO内部的电路如图2.2.5所示。
图2.2.5FPGAFIFO存储单元
2.2.6D/A转换电路设计
该模块采用分辨率高达16位的精密型DAC所组成的电压和电流输出转换器；采用纤巧型封装且面向控制环路应用的低功率DAC；其采样速率高达50Msps高速，LTC1668芯片是面向DC/DC转换器或扇速控制应用的特殊功能DAC。
电路设计图如图2.2.6所示。
图2.2.6D/A转换电路
2.2.7FFT变换及显示模块
FFT变换即快速傅里叶变换，在该模块中通过MCU实现FFT变换，且将FFT变换后的波形送入LCD进行显示。
3软件设计
3.1AT89S52单片机产脉冲信号流程图
AT89S52使用12M晶振，采用指令延时10us取反，再调用NOP指令延时90us取反，循环执行得到10Khz的信号，由P1.0口输出。
脉冲信号产生软件流程图如图3.1.1所示。
3.1.1脉冲信号产生软件流程图
3..2FFT变换模块软件流程图如图3.2所示。
4系统测试
4.1、测试仪器
4.1.1、示波器：
TektronixTDS2022
4.1.2、低频信号发生器：
MAG-203D
4.1.3、数字万用表：
Agilent34401A
4.1.4、直流稳压电源：
YB1731B
4.2基本要求测试
4.2.1脉冲信号发生测试：
能够实现脉冲信号脉冲频率为10kHz，脉宽为10us，上升沿时间为1.5us，输出幅度为4.9v，能满足赛题基本要求。
4.2.2脉冲信号衰减测试：
经衰减后输出的信号幅度为5.5mV，其输出幅度小于赛题所要求的10mv，能够满足赛题基本要求。
4.2.3脉冲信号放大测试：
经两级放大后输出的信号能够很好的是A/D转换、输出幅度为，上升沿时间为1.5us，小于赛题所要求的2us，能满足赛题基本要求。
4.2.4脉冲信号A/D转换存储及D/A转换测试：
能够实现信号的A/D转换以及存储，将存储的信号通过D/A输出后，能够很好的观察其上升沿。
4.3扩展发挥部分测试
能够实现信号的FFT变换，正确的显示信号的频谱，同时能将其频谱显示在LCD屏上该系统很好的实现了赛题的各项基本要求的部分，同时也能按赛题要求，实现了扩展发挥部分。
本电路系统实现了赛题所提出的基本设计要求部分以扩展发挥部分，具体测试情况如表4-1所示。
项目
基本设计要求部分
系统实现情况
脉冲信号发生
脉冲频率：
10kHz
脉冲宽度：
10us
上升沿宽度：
小于2us
脉冲宽度：
10kHz
脉冲宽度：
10us
上升沿时间：
1.5us
脉冲信号衰减
输出幅度：
小于10mV
输出幅度：
5.5mV
脉冲信号放大
输出能使A/D很好工作且上升沿时间小于2s
经放大的信号输出能够很好的实现A/D转换，上升沿时间为1.5us
脉冲信号A/D转换存储及D/A转换
能完成信号的存储，且能很好的观察上升时间
实现了脉冲信号转换为数字信号，并进行信号的存储，将数字信号通过D/A转换后输出，能够很好的观察其上升沿
扩展发挥部分
通过MCU的编程来实现信号的FFT变换，同时能够正确地显示信号的频谱，并将信号的频谱显示在液晶屏上。
表4-1系统功能实现情况
5结论
该脉冲信号放大测试和变换系统能较好的实现系统的由AT89S51单片机通过软件方式产生，输出占空比为10%，频率为10kHz的脉冲信号。
脉冲信号输出后经阻容衰减网络将信号衰减1000倍，使得衰减后输出电压小于10mv，衰减电压首先经一级电压跟随，该电压跟随器由ADA4817芯片组成，然后再经过两级放大，该两级放大均采用了LMH6624芯片，该芯片是美国国家半导体公司推出的一种超低噪声宽带运算放大器ＩＣ。
该器件的主要应用领域包括仪器传感器放大器、超声预放大器、磁带与磁盘前置放大器、宽带有源滤波器、专业音频系统、光纤放大器及医疗诊断系统等。
经两级放大后可达到满足要求的电压，使得其上升沿时间小于2us。
放大后的信号输入至ADS805E芯片将行AD转换，将模拟信号转换为数字信号，数字信号输出分为两路，一路输入至FPGA进行存储，且存储后经LTC1668DA转换芯片行DA转换，将数字信号转换为模拟信号输出，用示波器观察模拟信号；另一路则通过MCU平台进行FFT转换，观察期频谱，并通过显示屏显示其频谱。
由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。
参考文献：
[1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛技能训练[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2007.
[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2007.
[3]《数字图像处理学》，元秋奇著，北京：
电子工业出版社，2000年.
[4]《信号与系统》，ALANV.OPPENHEIM著，西安：
西安交通大学出版社，1997年.
[5]《模拟电子线路基础》，吴运昌著，广州：
华南理工大学出版社，2004年.
[6]《数字电子技术基础》，阎石著，北京：
高等教育出版社，1997年.
[7]《数据结构与算法》，张晓丽等著，北京：
机械工业出版社，2002年.
[8]《ARM&Linux嵌入式系统教程》，马忠梅等著，北京：
北京航空航天大学出版社，2004.
[9]《单片机原理及应用》，李建忠著，西安：
西安电子科技大学，2002年.
[10]李光飞，楼然苗，胡佳文，谢象佐.单片机课程设计.北京航空航天出版社.2005.
[11]何立民.单片机实验与实践教程.北京航空航天出版社.1999.
附录：
附1：
元器件明细表：
1、AT89S52
2、ADA4817
3、LMH6624
4、ADS805
5、LTC1668DA
附2：
仪器设备清单
1、数字万用表
2、数字示波器
3、稳压电源
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