2017国赛优秀作品——H题 远程幅频特性测试装置 西安交通大学

secret

作者：卢晓辉 吴新亮 周世运
一、系统结构方案设计
本系统主要由信号源发生模块、可变增益放大器模块、峰值检波模块、有线信道模块、幅频特性测试装置模块、Wi-Fi传输模块组成。
1.信号源方案的论证与选择
方案一：采用DDS芯片，如AD9854，其功能十分强大，系统时钟最高为300MHz，理论最大输出正弦为150MHz，但该芯片引脚较多，配置复杂，设计周期长。
方案二：采用单片机+FPGA+DAC，以STM32F103为控制核心，控制CYCLONE TVFPGA的NCO做DDS.FPGA具有极高的主频，并且极具灵活性，可以产生1~40MHz幅度可变可扫频的正弦信号。
综合以上方案，选择方案二，因为工作量小可以轻松实现。

2.可亦增益放大电路方案的论证与选择
方案一：采用数控增益放大器，如LMH6518，最大带宽为900MHz且通过SPI在线可调，数字控制增益范围为-1.16~38.8dB，共40dB，但增益调整步进为2dB，无法满足题目中连续可调的要求。
方案二：采用压控增益放大器VCA821，其最大带宽为710MHz，最大增益由外部电阻配置，实际增益由外部所加的电压控制，有超过40dB的线性范围，最大增益为32dB，需搭配前级低噪放。
方案三：采用压控增益放大器AD8367，其带宽为500MHz，单电源供电，增益范围为-2.5～42.5dB线性可调。

由于VCA821单电源供电的最低电压为7V，不满足题中单+5V供电要求，综合以上3种方案，为实现单电源下增益连续控制，选用方案三

3.检波电路方案的论证与选择
方案一：采用二极管检波，电路简单，使用元件少、成本低，但检波效率低，检波输出存在不可避免的失真，自身也存在导通压降，正向压降会随温度变化而变化，不容易矫正，频率较高时对二极管的开关速度的要求也高。
方案二：采用集成检波芯片AD8361，单电源供电，频响高达2.5GHz，采用双平方单元闭环比较转换技术，是具有高精度的真有效值功率检测器，外部配置元件少，电路简单，输出是与输入信号得有效值正比的直流电压，经过单片机计算可精确测得输入端信号的有效值。

综合考虑高频稳定性和检波精确度，本系统采用方案二

4.有线信道模块的设计与选择
方案一：将放大器输出的高频信号（模拟信号）与信号源发出的信号（数字信号）经过加法器叠加后在双绞线中传输，输出端用两路分别提取还原出高频信号和频率信息。
方案二：将放大器输出的高频信号（模拟）经过检波电路，输出的直流信号再用另一个单片机选行A/D采样，同时，信号源发出的频率信息也发给此单片机，单片机将接收到的这两路信号转换成数字信号在双绞线中传输，输出端信号用频率特性测试装置接收并处理。

综上所述，方案一依靠硬件电路实现，稍显复杂，而且较高频率的正弦波在双绞线中传输容易受到干扰，使信噪比恶化，而方案二将信号完全数字化，在双绞线中进行数字传输，更加稳定且易实现，因此采用方案二。

5.幅频特性检测方案设计
方案：采用ADC+单片机+示波器。用ADC采样检波器输出的直流电平，在单片机中进行数据处理，计算出发达器输出信号幅度，同时串口接收到信号源发过来的频率信息，实时控制示波器，用XY模式驻点回执幅度——频率曲线显示。

二、系统理论分析与计算
1.幅频特性测试原理分析
量法，每次只能客品新用方法有点频测量法和扫频测量法。点频测量法是线性系统额率特性的经典测被测线性系统信号源的频率调节到某一个频点，依次设置调谐到各指定频点上，分别测出各点处的参激，用将各点数据连成完整的曲线，从、面得到频幸特性高量结果，中烟测握法信号源的输出能够在测量所需的范围内连续扫指，因此可以连续测出各频点上的频率特性结果，并立册显示特性曲线。

本系统信号源结构如图1所示，输出1~40MH2，步进1MHz，循环扫描，用点频来模拟扫频，同时测量每一点处输出信号的幅度，绘制幅频特性曲线。阶梯变化的扫频信号类似于线性频率调制信号，当扫频速率比较慢时，调制信号带宽也在1~40MHz内。



2.信号发生器电路设计
单片机和FPGA通过SPI进行通信，将相位控制字K发送给FPGA，调用NCO的IP核，FPGA内部的NCO将数据以150MHz的时钟送给12位高速DAC，进而输出正弦波。相位控制字和输出频率的关系为


3.放大器设计
放大器结构如图2所示，放大器增益分配见表1，噪声曲线如图3所示。







通过三级级联的方式，可以使放大器的增益动态范围达到-15~75dB，远大于题目要求的0~40dB，同时，中间级和末级之间加入RC滤波，将3dB非会限制在1-40MHz内。
第一级采用OPA820宽带运放进行同相跟随。OPA820为由压反馈型运放，噪声系数小，噪声电压、电流分布见图3，而AD8367在最大增益下其噪声系救为62dB比较大，因为级联系统第一级的噪声系数对系统的影响最大，将OPA820放在第一级，此举可以有效改善信噪比。



滤波器采用RC高通加低通滤波器实现1~40MHz带通，截止频率计算公式为



AD8367增益控制曲线如图4所示。增益由增益控制引脚控制，外部提供电压50-950mV，增益范围为-2.5~42.5dB，线性度很好。