一種遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

1、一種遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)摘要：本系統(tǒng)使用STC12C5A60S2單片機(jī)為主控制器，以AD9854自制DDS電路產(chǎn)生峰值連續(xù)可調(diào)的正弦信號(hào)，通過由超寬帶電流反響運(yùn)算放大器OPA695構(gòu)建的兩級(jí)增益可調(diào)放大電路，對(duì)輸入信號(hào)放大后，直接輸入或者通過1.5m雙絞線輸入到由線性整流濾波電路為主構(gòu)建的幅度檢測(cè)電路，將輸出幅值信號(hào)送入示波器的Y通道，同時(shí)將信號(hào)的頻率信息輸入到示波器的X通道顯示放大器輸出信號(hào)的幅頻特性。系統(tǒng)可以通過WiFi路由器無線傳輸幅頻特性信息，由筆記本電腦完成幅頻特性曲線的顯示。該系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了題目的根本要求以及大局部的發(fā)揮局部。關(guān)鍵詞：AD9854OPA695幅頻特性中圖分類

2、號(hào)：TM35文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X202110a-0001-02設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試裝置，由具有自動(dòng)掃頻功能的信號(hào)源輸出140MHz峰值可調(diào)信號(hào)，通過增益040dB連續(xù)可調(diào)的放大器，幅頻特性裝置完成放大器輸出信號(hào)的幅頻特性測(cè)試，由示波器顯示幅頻特性曲線，也可以通過WiFi路由器在筆記本上遠(yuǎn)程顯示。1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由MCU控制模塊、信號(hào)發(fā)生器模塊、放大器模塊、幅頻特性測(cè)試模塊、WiFi路由器等組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。1.1信號(hào)發(fā)生器模塊的論證與選擇方案一：采用鎖相環(huán)間接頻率合成方案。鎖相環(huán)頻率合成在一定程度上解決了既要求頻率穩(wěn)定精確、又要求頻率在較大范圍

3、可調(diào)的矛盾。但輸出頻率易受可變頻率范圍的影響，輸出頻率相對(duì)較窄，很難滿足題目140MHz的高頻要求。方案二：采用直接數(shù)字頻率合成DDS方案。DDS技術(shù)具有輸出頻率相對(duì)較寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率分辨率高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，以及相關(guān)波形參數(shù)頻率、相位、幅度均可實(shí)現(xiàn)程控的優(yōu)點(diǎn)。采用集成芯片AD9854可實(shí)現(xiàn)題目對(duì)信號(hào)源的要求。綜合以上分析，選擇方案二。1.2放大器模塊的論證與選擇方案一：利用具有低失真、高速、單路輸出等的運(yùn)算放大器OPA354。但是，在放大電路應(yīng)用中，OPA354的輸出電壓有效值達(dá)不到題目要求的1V有效值，且它的電阻值不能隨意選取，需按照具體的典型值選擇，才能到達(dá)芯片的最高利用效

4、率，且容易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象、自激等情況。方案二：采用具有禁用功能的超寬帶電流反響運(yùn)算放大器OPA695，該運(yùn)放最大帶寬為1.8GHz，具有高轉(zhuǎn)換速率1800V/us，單位增益帶寬積為500MHzG=1，所以采用它使電路更可靠穩(wěn)定。完全可以實(shí)現(xiàn)100MHz預(yù)放大，1.8G的帶寬使得OPA695完全可以到達(dá)寬帶放大的指標(biāo)。綜合以上分析，為提高系統(tǒng)性能，選擇方案二。1.3幅頻特性檢測(cè)模塊的論證與選擇方案一：選用集成模擬乘法器MC1496。利用乘法器將輸入信號(hào)進(jìn)行平方，得到高頻信號(hào)，低頻信號(hào)以及直流信號(hào)，再通過低通濾波電路得濾去高頻信號(hào)，得到低頻或直流信號(hào)，最后經(jīng)過一個(gè)電壓跟隨器后輸出。但是MC1496器

5、件內(nèi)部元件參數(shù)不可能完全相同，致使輸出波形出現(xiàn)載波漏信號(hào)，實(shí)際電路的波形并不完全對(duì)稱。方案二：由于理論的信號(hào)輸出的是直流量，因此，我們可以直接采用線性整流濾波電路。先將由放大器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過線性整流濾波電路，將整流電路輸出電壓中的高次諧波分量濾除，得到幅值信號(hào)，然后再將頻率信號(hào)與幅值信號(hào)一起輸入到顯示器，即可完成對(duì)放大器輸出信號(hào)的幅頻特性曲線的顯示。綜合以上分析，從電路設(shè)計(jì)的可行性考慮，選擇方案二。2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1系統(tǒng)原理與分析根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)制作了核心為AD9854的DDS集成板。通過STC12C5A60S2單片機(jī)的控制，使AD9854輸出信號(hào)，然后將信號(hào)接入由OPA695構(gòu)成的兩

6、級(jí)增益可調(diào)的放大器中，經(jīng)過信號(hào)放大后，再通過線性整流濾波電路將高頻信號(hào)濾除，得到幅值信號(hào)，然后再將頻率信號(hào)與幅值信號(hào)分別輸入到示波器的X和Y通道進(jìn)行顯示，也可以通過WiFi路由器在筆記本上遠(yuǎn)程顯示。2.2信號(hào)發(fā)生器電路的設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器采用DDS技術(shù)，通過單片機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)正弦波、掃頻等功能。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)主要有單片機(jī)模塊、鍵盤顯示模塊、DDS模塊等。系統(tǒng)采用的單片機(jī)是STC公司的STC12C5A60S2芯片，通過鍵盤設(shè)置控制信號(hào)源的輸出信號(hào)的頻率、幅度以及自動(dòng)掃頻。AD9854有10MHz串行接口和100MHz8位并行接口2種方式可以選擇，此處將S/PSELECTPin70引腳接高電平

7、，選擇并行傳輸方式，將STC12C5A60S2的P0.0至P0.7端口與AD9854的D0至D7端口相連傳輸數(shù)據(jù)信息，P2.0至P2.5端口與A0至A5端口相連傳輸存放器地址信息，P3.6、P3.7分別與WR、RD兩個(gè)引腳相連控制讀寫操作，由這三局部共同組成并行傳輸控制。2.3放大器電路的設(shè)計(jì)放大電路由兩級(jí)放大模塊組成，具有寬帶自動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)功能。兩級(jí)放大器均由OPA695實(shí)現(xiàn)，每級(jí)放大10倍，兩級(jí)之間通過衰減器電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)040dB增益范圍可調(diào)。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)到達(dá)了題目所設(shè)定的規(guī)定指標(biāo)。2.4頻率特性測(cè)試電路的設(shè)計(jì)我們用線性整流濾波電路進(jìn)行幅度檢測(cè)。先將由放大器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過線性

8、整流濾波電路，將整流電路輸出電壓中的高次諧波分量濾除，得到幅值信號(hào)，然后再將頻率信號(hào)與幅值信號(hào)一起輸入到顯示器，即可完成對(duì)放大器輸出信號(hào)的幅頻特性測(cè)試。3程序設(shè)計(jì)3.1程序功能描述根據(jù)題目要求軟件局部主要控制DDS模塊產(chǎn)生140MHz的信號(hào)和掃頻信號(hào)。1輸出信號(hào)：要求輸出140MHz的正弦信號(hào)。endprint2D/A轉(zhuǎn)換：輸出鋸齒波掃頻信號(hào)。3按鍵：設(shè)置頻率增減、掃頻模式和輸出幅度。4顯示局部：顯示頻率、掃描模式、幅值。3.2程序設(shè)計(jì)思路1復(fù)位DDS。即Master保持10個(gè)以上系統(tǒng)時(shí)鐘周期的正脈沖。寫控制存放器。設(shè)置工作模式、數(shù)據(jù)更新方式、鎖相環(huán)倍數(shù)。寫數(shù)據(jù)存放器。寫入輸出的頻率，以及設(shè)置

9、信號(hào)幅值。2采用5個(gè)按鍵分別設(shè)置輸出頻率、掃頻模式、輸出幅度。3使用PWM模擬DAC輸出鋸齒波掃頻信號(hào)。4采用STC12C5A60S2單片機(jī)來控制OLED顯示頻率值、掃頻模式和幅度值。4測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試方案1硬件測(cè)試方案：使用GDS-1102A-U數(shù)字示波器觀察并測(cè)量。2軟件仿真測(cè)試：利用proteus畫出電路仿真圖，進(jìn)行電路的各項(xiàng)性能測(cè)試。3硬件軟件聯(lián)調(diào)：軟件仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，分析差異原因，找出改進(jìn)方案。4.2測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：屢次檢查仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測(cè)試儀器：信號(hào)源、GDS-1102A-U數(shù)字示波器、U

10、T136B數(shù)字萬用表。4.3測(cè)試結(jié)果及分析4.3.1測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)幅頻特性測(cè)試裝置的檢測(cè)。4.3.2測(cè)試分析與結(jié)論1利用AD9854制作的高頻信號(hào)源，可以輸出頻率范圍為140MHz正弦波，且通過單片機(jī)控制，步進(jìn)為1MHz，具有自動(dòng)掃描功能。2根本要求局部，幾乎實(shí)現(xiàn)了題目要求，信號(hào)源輸出電壓峰峰值在0100mV連續(xù)可調(diào)，放大器增益在040dB連續(xù)可調(diào)，輸出電壓峰峰值可達(dá)1V，且波形無明顯失真，且幅頻特性測(cè)試裝置性能良好，滿足題目要求。3發(fā)揮局部，輸出電壓有效值最大可達(dá)4V，且波形無明顯失真，其他的局部也根本上到達(dá)題目所需的要求。綜上所述，本設(shè)計(jì)到達(dá)設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn)【1】馮廷亮，黃明，徐德仁，等.基于500MHz寬帶放大電路的設(shè)計(jì)討論J.工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2021，34：691-694.【2】高新.增益可控放大器J.通訊世界，202115：2