信號(hào)頻率特征檢測(cè)儀分析研究 機(jī)械制造專業(yè)

1、摘要：從“十一五”提出加速發(fā)展鐵路和城市交通規(guī)劃至今,中國(guó)逐步跨入“高鐵時(shí)代”,高鐵的出現(xiàn)加快了鐵路客運(yùn)和貨運(yùn)的流動(dòng)速度,提高了鐵路運(yùn)輸?shù)目傮w效率,為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步貢獻(xiàn)了新的力量。但高速鐵路列車運(yùn)行速度的逐步提升以及列車運(yùn)行密度的不斷增加,也給鐵路部門對(duì)列車的控制和調(diào)度提出了更高的要求。軌道電路是鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)十分重要的組成部分,肩負(fù)著對(duì)列車運(yùn)行控制和信息傳遞的重任,而在軌道電路中,軌道移頻信號(hào)是鐵路電務(wù)與機(jī)車交流的“語(yǔ)言”,通過(guò)軌道移頻信號(hào)不僅可以判斷出列車的位置,也可以檢測(cè)出列車的運(yùn)行速度,向列車傳遞控制信息。因此,研發(fā)一款滿足目前高速鐵路移頻信號(hào)檢測(cè)要求的便攜式軌道移頻信號(hào)檢測(cè)儀

2、,能夠快速、準(zhǔn)確、便捷的檢測(cè)出軌道移頻信號(hào)的特征參數(shù),及時(shí)發(fā)現(xiàn)移頻設(shè)備故障,對(duì)維護(hù)移頻設(shè)備穩(wěn)定工作,保證列車安全運(yùn)行,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目錄 HYPERLINK l _Toc18516_WPSOffice_Level1 第一章 緒 論2 HYPERLINK l _Toc25159_WPSOffice_Level2 1.1 論文研究的背景以及研究現(xiàn)狀2 HYPERLINK l _Toc7480_WPSOffice_Level2 1.2 論文研究的目的及意義3 HYPERLINK l _Toc15000_WPSOffice_Level2 1.3 論文內(nèi)容和章節(jié)安排3 HYPERLINK l _T

3、oc25159_WPSOffice_Level1 第二章 總體設(shè)計(jì)5 HYPERLINK l _Toc25743_WPSOffice_Level2 2.1 基本原理5 HYPERLINK l _Toc25159_WPSOffice_Level3 2.1.1 FPGA原理5 HYPERLINK l _Toc7480_WPSOffice_Level3 2.1.2 DDS原理5 HYPERLINK l _Toc23129_WPSOffice_Level2 2.2 系統(tǒng)組成6 HYPERLINK l _Toc15000_WPSOffice_Level3 2.2.1 控制單元6 HYPERLINK l

4、_Toc25743_WPSOffice_Level3 2.2.2 存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元7 HYPERLINK l _Toc23129_WPSOffice_Level3 2.2.3 顯示模塊8 HYPERLINK l _Toc28700_WPSOffice_Level2 2.3 混頻模塊8 HYPERLINK l _Toc28700_WPSOffice_Level3 1.損益轉(zhuǎn)換;8 HYPERLINK l _Toc4824_WPSOffice_Level3 2.噪聲系數(shù)：因?yàn)樗匀辉谙到y(tǒng)的前端，NF對(duì)系統(tǒng)噪聲有較大的影響。適用于適配器：8 HYPERLINK l _Toc25157_WPSOff

5、ice_Level3 3、線性度：線性度是系統(tǒng)中一個(gè)重要的指標(biāo);8 HYPERLINK l _Toc25103_WPSOffice_Level3 4、隔離（平衡）;8 HYPERLINK l _Toc6581_WPSOffice_Level3 5、其他性能參數(shù)：阻抗，功耗;8 HYPERLINK l _Toc2596_WPSOffice_Level3 6、混頻器的典型指標(biāo)：8 HYPERLINK l _Toc4824_WPSOffice_Level2 2.4 濾波模塊9 HYPERLINK l _Toc25157_WPSOffice_Level2 2.5 檢波模塊9 HYPERLINK l _

6、Toc25103_WPSOffice_Level2 2.6 掃頻模塊10 HYPERLINK l _Toc6581_WPSOffice_Level2 2.7 本章小結(jié)11 HYPERLINK l _Toc7480_WPSOffice_Level1 第三章 硬件設(shè)計(jì)12 HYPERLINK l _Toc2596_WPSOffice_Level2 3.1 硬件總體設(shè)計(jì)12 HYPERLINK l _Toc32095_WPSOffice_Level2 3.2 主要控制模塊設(shè)計(jì)12 HYPERLINK l _Toc32095_WPSOffice_Level3 3.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)12 HYPER

7、LINK l _Toc30216_WPSOffice_Level3 3.2.3 液晶及示波器顯示模塊 HYPERLINK l _Toc30000_WPSOffice_Level3 第 1 腳：VSS 為電源地；13 HYPERLINK l _Toc23491_WPSOffice_Level3 第 2 腳：VDD 接到 5V 的電源正極上；13 HYPERLINK l _Toc30216_WPSOffice_Level2 3.3 混頻模塊硬件設(shè)計(jì)14 HYPERLINK l _Toc23955_WPSOffice_Level3 3.3.1 前置放大電路 HYPERLINK l _Toc21111

8、_WPSOffice_Level3 3.3.2 中頻的選擇 HYPERLINK l _Toc29701_WPSOffice_Level3 3.3.3 混頻電路 HYPERLINK l _Toc30000_WPSOffice_Level2 3.4 濾波器模塊硬件設(shè)計(jì)16 HYPERLINK l _Toc23491_WPSOffice_Level2 3.5 檢波電路硬件設(shè)計(jì)16 HYPERLINK l _Toc23955_WPSOffice_Level2 3.6 掃頻發(fā)生模塊17 HYPERLINK l _Toc21111_WPSOffice_Level2 3.7 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)18 HYPER

9、LINK l _Toc29701_WPSOffice_Level2 3.8 本章小結(jié)18 HYPERLINK l _Toc15000_WPSOffice_Level1 第四章 軟件設(shè)計(jì)19 HYPERLINK l _Toc283_WPSOffice_Level2 4.1 軟件總體設(shè)計(jì)19 HYPERLINK l _Toc27970_WPSOffice_Level2 4.2 設(shè)置狀態(tài)和在運(yùn)作狀態(tài)處理函數(shù)設(shè)計(jì)19 HYPERLINK l _Toc283_WPSOffice_Level3 (a) 設(shè)置狀態(tài)處理函數(shù)流程圖 (b) 運(yùn)行狀態(tài)處理函數(shù)流程圖19 HYPERLINK l _Toc29827_

10、WPSOffice_Level2 4.3 7279接收按鍵信息中斷服務(wù)流程設(shè)計(jì)19 HYPERLINK l _Toc10703_WPSOffice_Level2 4.3 本章小結(jié)20 HYPERLINK l _Toc25743_WPSOffice_Level1 第五章 調(diào)試與結(jié)果21 HYPERLINK l _Toc24111_WPSOffice_Level2 5.1 正交掃頻信號(hào)源測(cè)試21 HYPERLINK l _Toc25587_WPSOffice_Level2 5.2 制作的增益控制電路的測(cè)試結(jié)果21 HYPERLINK l _Toc19182_WPSOffice_Level2 5.3

11、 本章小結(jié)21第一章 緒 論1.1 論文研究的背景以及研究現(xiàn)狀關(guān)于電路測(cè)試，電子通信技術(shù)人員關(guān)注對(duì)通信產(chǎn)生重大影響的因素，例如配置信息，頻譜條件，信號(hào)失真和噪聲條件。要理解為什么上述情況會(huì)發(fā)生，它是如何發(fā)生的，以及如何監(jiān)測(cè)它，有必要進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。例如，在諧波發(fā)生了諧波失真，進(jìn)行頻譜分析的觀察與檢測(cè)，查看有無(wú)倍頻干擾，便可以分析產(chǎn)生噪聲的頻帶，然后設(shè)置濾波器以消除這些頻率段的噪聲。 因此頻率分析便更加清楚。為防止信號(hào)傳輸對(duì)頻率之間干擾的影響，可以測(cè)試頻譜占用以了解與得知情況。有許多方法可以測(cè)量信號(hào)。我們可以使用示波器來(lái)監(jiān)控頻率，波長(zhǎng)和信號(hào)幅度。示波器曲線是電壓變化的幅值，水平和垂直軸可以顯示電壓

12、變化。通過(guò)示波器，我們可以了解其功率幅度的變化，以及對(duì)信號(hào)頻譜的理解和分析。但是一些復(fù)雜變化的信息示波器便無(wú)能為力了?，F(xiàn)在與以往的掃頻儀在工作原理上相比，主要采用濾波后AD的采樣和檢測(cè)，并通過(guò)DPS方法進(jìn)行濾波。在正常情況下，信號(hào)頻率計(jì)可以進(jìn)行調(diào)制信號(hào)，進(jìn)行矢量分析并測(cè)量信號(hào)。我們還可以借助使用跟蹤源，筑波橋等輔助測(cè)量設(shè)備測(cè)試傳輸線，場(chǎng)強(qiáng)和元件傳輸特性。頻率掃描器可分為臺(tái)式頻譜分析儀，手持頻譜分析儀，PXI頻譜分析儀和LXI頻譜分析儀，是頻譜分析儀的主流。對(duì)于信號(hào)頻率特征儀的最新發(fā)展，其具有優(yōu)于掃描頻譜分析儀的明顯優(yōu)勢(shì)：它具有更多的觸發(fā)模式，因此可以測(cè)試頻率變化更快的系統(tǒng)。其硬件結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代頻譜

13、分析儀類似，因此具有較高的數(shù)據(jù)處理速度和較高的帶寬。1.2 論文研究的目的及意義我們可以通過(guò)信號(hào)頻率特征的分析來(lái)發(fā)現(xiàn)許多有用的信息，但是對(duì)于高頻的信號(hào)頻譜分析常用的頻率特征檢測(cè)分析方法便不適用了。為了完善解決這類問(wèn)題，便可以使用外差原理。基于本課題研究的信號(hào)頻率特征儀設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行識(shí)別振幅信號(hào)和調(diào)制頻率，也可以確定函數(shù)的中心頻率，其在通信系統(tǒng)領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。通常情況下，我們平時(shí)所采用的都是只適用于低頻段的儀器，其一般以DSP為控制核心的算法進(jìn)行信號(hào)采集，將模擬信號(hào)數(shù)字化，通過(guò)AD采集信號(hào)，再進(jìn)行傅里葉變換，最后分析來(lái)實(shí)現(xiàn)頻譜分析功能。因?yàn)楦道锶~計(jì)算方法太過(guò)繁瑣，所以大多簡(jiǎn)單的信號(hào)頻率特

14、征儀精度都不會(huì)太高。所以本設(shè)計(jì)有著幾大優(yōu)勢(shì)。一，本設(shè)計(jì)同時(shí)適用于低頻信號(hào)和高頻信號(hào)；二，本設(shè)計(jì)有著較高的精度和處理速度；三，本設(shè)計(jì)比較易于操作，可通過(guò)按鍵直接設(shè)置所需的帶寬，頻率以及其他各項(xiàng)需求。1.3 論文內(nèi)容和章節(jié)安排本論文設(shè)計(jì)了一種基于外差原理采用被測(cè)信號(hào)與本征頻率實(shí)現(xiàn)的信號(hào)頻率特征檢測(cè)儀。本文一共有六章，具體內(nèi)容如下：緒論 介紹了該課題的研究背景和意義。介紹了信號(hào)頻率特征檢測(cè)儀的作用，發(fā)展情況及論文的安排?？傮w設(shè)計(jì) 介紹了信號(hào)頻率特征檢測(cè)儀的總體設(shè)計(jì)。首先介紹了本文總體設(shè)計(jì)與基本原理。然后介紹了本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)組成以及混頻模塊，濾波模塊，檢波模塊及掃頻模塊的設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì) 介紹了硬件總體設(shè)計(jì)

15、，主要控制模塊設(shè)計(jì)，混頻模塊，濾波模塊，檢波模塊及掃頻模塊的硬件設(shè)計(jì)以及電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì) 介紹了軟件的總體設(shè)計(jì)，處理函數(shù)設(shè)計(jì)以及接受鍵信息中斷服務(wù)流程設(shè)計(jì)。測(cè)試儀結(jié)果 完成了正交掃頻信號(hào)的測(cè)試與增益控制電路的測(cè)試。總結(jié)與展望 這一章的內(nèi)容是對(duì)本文所研究的總結(jié)，以及對(duì)未來(lái)的應(yīng)用來(lái)做一些展望?？傮w設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)為一個(gè)精度高并且可適用于高頻的頻率特征儀。主題設(shè)計(jì)是使用單片機(jī)控制各項(xiàng)模塊，并可以通過(guò)示波器觀察到信號(hào)頻譜，同時(shí)能設(shè)置按鍵使液晶屏顯示實(shí)時(shí)帶寬、運(yùn)行狀態(tài)以及中心頻率等。本設(shè)計(jì)包含混頻模塊、掃頻模塊、濾波、檢波以及控制模塊，連接與調(diào)試各模塊，可設(shè)計(jì)出本設(shè)計(jì)的組成框圖如圖2-1所示。2.

16、1 基本原理本設(shè)計(jì)采用DDS原理，使用最小步進(jìn)100kHz，輸出范圍1MHz30MHz的掃頻信號(hào)，F(xiàn)PGA控制輸出，再使用增益控制電路來(lái)使幅值進(jìn)行穩(wěn)定輸出。混合網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)與振幅穩(wěn)定的掃頻信號(hào)，混合423kHz的信號(hào)放大濾波電路頻率，收集標(biāo)本。把采樣數(shù)據(jù)先送入FPGA中的RAM，同時(shí)與單片機(jī)處理的X軸正斜率電壓輸入示波器，顯示出頻譜。再設(shè)置帶寬，中心頻率，頻譜運(yùn)行狀態(tài)以及鍵盤和LCD液晶屏，最后完成測(cè)試。2.1.1 FPGA原理在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA主要用于生成正交掃描信號(hào)以及存儲(chǔ)和輸出數(shù)字信號(hào)。 FPGA，也稱為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，是基于可編程器件，如PAL，GAL和CPLD定制集成電路（ASI

17、C）領(lǐng)域的半自動(dòng)電路。 其不僅解決了專用電路短缺的問(wèn)題，而且還解決了器件原始可編程門的一些缺點(diǎn)。FPGA與CPLD的差別不同是工作原理和結(jié)構(gòu)特征。2.1.2 DDS原理DDS是一種新的頻率編譯方法。它最初是由Joseph Tierney和其他人提出的。它具有高輸出分辨率特性，低功耗，快速切換速度和頻率切換相位連續(xù)的特點(diǎn)。為此，理解DDS模塊在數(shù)字信號(hào)處理和硬件實(shí)現(xiàn)中起著重要作用。DDS結(jié)構(gòu)主要由四個(gè)大型結(jié)構(gòu)組成，例如相位累加器，波形存儲(chǔ)器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D / A）和低通濾波器。它的相位編譯器由一個(gè)N位加法器和一個(gè)N位累加器組成，這是DDS模塊的一個(gè)非常重要的部分。根據(jù)時(shí)鐘頻率基準(zhǔn)，單元DDS開(kāi)

18、始工作;使用各基準(zhǔn)時(shí)鐘時(shí)，積聚在FW控制字和出口登記頻率的復(fù)數(shù)值，然后將添加到注冊(cè)表，并反饋由先前參考時(shí)鐘統(tǒng)一記錄產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的積累。這樣，在時(shí)鐘的影響下，頻率控制字可以連續(xù)累加。此時(shí)，通過(guò)查看對(duì)應(yīng)于該地址的幅值表，將來(lái)自相位累加器的數(shù)據(jù)的輸出用作波形存儲(chǔ)器中的地址，就可以完成從相位到幅值的轉(zhuǎn)換。2.2 系統(tǒng)組成本設(shè)計(jì)的核心電路控制設(shè)計(jì)為 MSP430F169 主控芯片、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元、顯示模塊等，其顯示模塊可顯示本設(shè)計(jì)的中心頻率，也可顯示出本設(shè)計(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，以便于更好的校驗(yàn)電路的操作狀態(tài)。這些設(shè)計(jì)作為控制模塊，可使硬件電路進(jìn)行進(jìn)行有效工作。2.2.1 控制單元單片機(jī)是在單個(gè)集成電路芯片上進(jìn)

19、行微型計(jì)算機(jī)集成的，其組件為I/O 接口電路， CPU，定時(shí)器，內(nèi)存以及其他計(jì)算機(jī)組件。單片機(jī)在人類生活和工作的各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 其更小，更靈活的計(jì)算機(jī)的特征使其擁有了相對(duì)低的成本和相對(duì)容易的轉(zhuǎn)換。在控制方面，其可以解決從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的控制任務(wù)，其也可以方便地用于多機(jī)的分布式控制和分布式控制。 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)為：結(jié)構(gòu)更加完整；功能更加強(qiáng)大；使用更加方便；低電壓；更低功損耗以及更低廉的價(jià)格。本設(shè)計(jì)采用64位封裝的MSP430F169芯片。 它是TI開(kāi)發(fā)的更低功耗的信號(hào)控制器。 它可以在低電壓和低功耗下運(yùn)行，具有非常優(yōu)秀的處理信號(hào)能力和良好的片內(nèi)外設(shè)。MSP430F169的內(nèi)部組件包括：1、帶2

20、個(gè)晶體振蕩器和1個(gè)數(shù)字控制振蕩器（DCO）的時(shí)鐘單元；2、可作為通用定時(shí)器，IAEA定時(shí)器；3、帶有三個(gè)捕捉/比較寄存器，16 位的定時(shí)器 Timer-A；4、帶有七個(gè)捕捉/比較寄存器，16 位的定時(shí)器 Timer-B；5、2 個(gè)擁有中斷能力的 8 位的并行端口：P1 和 P2；6、4 個(gè) 8 位的并行端口：P3、P4、P5 和 P6；7、COMPARATOR_A模擬比較器；8、12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器；9、2 通道的串行通信接口（用軟件選擇 UART/SPI 模式）；10、1 個(gè)硬件乘法器；11、60KB+256 字節(jié)的 FLASH 和 2KB 的 RAM。MSP430F169 單片機(jī)的主要

21、特性如下：1、低電壓電壓范圍：1.83.6V；2、超低功耗；3、五的省電模式：lpm0 LPM4，其中 LPM4 最低耗電，只有 0.1uA；4、等待方式進(jìn)行喚醒，時(shí)間是小于 6us 的；5、16 位的 RISC 結(jié)構(gòu)和 125ns 的指令周期；6、時(shí)鐘模塊的配置：高速和高速晶體，數(shù)字振蕩器 DCO；7、內(nèi)部溫度傳感器；8、兩通道的串行通信接口，可以用于異步或者是同步模式；9、6 個(gè) 8 位的并行接口，且 2 個(gè) 8 位端口是有中斷能力的；10、硬件乘法器；11、多大 60KB Flash 和 2KB RAM；12、串行在系統(tǒng)編程。MSP430F169 單片機(jī)具有以下硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：低功耗。在R

22、AM下，其電流僅為0.1uA，其等待方式電流也僅為0.8uA；它的活動(dòng)狀態(tài)電流也僅為250uA/MIPS；模擬組件：12位A/D；RISC 中央處理器為16位，指令周期為125ns，其可以實(shí)現(xiàn)高性能應(yīng)用的同時(shí)用來(lái)減少代碼空間；MSP430F169包含豐富的芯片，可降低節(jié)點(diǎn)的功耗和尺寸。由于芯片的豐富性，整個(gè)電路變得非常簡(jiǎn)單。對(duì)于功耗，時(shí)鐘頻率等，RAM滿足本設(shè)計(jì)的要求。在省電模式下，RAM僅消耗0.1mA，而在待機(jī)模式下也僅為0.7mA。本設(shè)計(jì)需要雙定時(shí)器中斷，串行通信接口，A / D轉(zhuǎn)換和防止無(wú)線系統(tǒng)中斷的監(jiān)控設(shè)備。它們集成在芯片的內(nèi)部組件中，大大簡(jiǎn)化了電路并降低了成本。此外，MSP430F

23、169包含許多時(shí)鐘源，可以單獨(dú)進(jìn)行工作和關(guān)閉，為設(shè)備定期喚醒提供了極大的便利。2.2.2 存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元本設(shè)計(jì)使用MSP430F169單片機(jī)中的A / D模塊收集檢測(cè)檢波器模塊輸出的數(shù)據(jù)并將其保存在FPGA 的RAM中。 接下來(lái)，給示波器發(fā)送到X軸正斜率電壓，由單片機(jī)處理以顯示頻譜。 在將一些實(shí)際量傳感器轉(zhuǎn)換為代表性信號(hào)檢測(cè)之后，在處理和控制它們時(shí)必須將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換。單片機(jī)的模塊的主要功能是： 1、采樣率更高，可達(dá)到200kbit / s;2、CPU的內(nèi)部具備溫度傳感器。3、內(nèi)置采樣保持電路。4、有內(nèi)置時(shí)鐘，還可以選擇外接時(shí)鐘。5、帶有兩個(gè)硬件觸發(fā)器;6、

24、有16條記錄存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器;7、配備8個(gè)外部通道和4個(gè)內(nèi)部通道;8、A/D 轉(zhuǎn)換分為 4 種模式； 9、功耗可以通過(guò)ADC12核心關(guān)機(jī)功能保存在系統(tǒng)中。在獲取檢波器收集的模擬信號(hào)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，將其存儲(chǔ)在FPGA的RAM中，然后由單片機(jī)處理數(shù)據(jù)。2.2.3 顯示模塊要顯示所設(shè)置的中心頻率，運(yùn)行狀態(tài)帶寬等，需要操作和維護(hù)部分顯示器。通常不同類型的液晶根據(jù)點(diǎn)矩陣的實(shí)際特征線或液晶寬度來(lái)命名。這種類型的液晶具有缺點(diǎn)，即應(yīng)用范圍相對(duì)較小，設(shè)計(jì)上應(yīng)更加全面。本設(shè)計(jì)采用LCD12864作為液晶屏。LCD12864共用串行接口與并行接口，使用者可以選擇其中一種工作模式。液晶型號(hào)LCD12864F可顯示字符

25、漢字和圖形，其擁有128個(gè)集成字符（8*16 點(diǎn)陣），和8192個(gè)漢字（16*16 點(diǎn)陣）和RAM 64 * 256點(diǎn)陣，電壓電源為3.35V ，內(nèi)置脈沖電路不需要負(fù)電壓。顯示內(nèi)容為128列* 64行。屏幕顏色為黃色和綠色。 LCD類型是STN。它可以通過(guò)8位并行接口或3位串行接口連接到MCU?？蚣艹叽鐬?3 mm * 70 mm * 12.5 mm，視線為73 mm * 39 mm。點(diǎn)之間的距離為0.52 mm * 0.52 mm，點(diǎn)的尺寸為0.48 mm * 0.48 mm。12864F的邏輯運(yùn)算為4.55.5V。如果模塊背面R4電阻的電阻為0，則該模塊可以直接與3V單片機(jī)連接?？梢酝ㄟ^(guò)更

26、改模塊背面的R1電阻值來(lái)調(diào)整屏幕對(duì)比度。2.3 混頻模塊混頻模塊的原理是在時(shí)間域中乘以輸入信號(hào)。關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)：1.損益轉(zhuǎn)換;2.噪聲系數(shù)：因?yàn)樗匀辉谙到y(tǒng)的前端，NF對(duì)系統(tǒng)噪聲有較大的影響。適用于適配器：（1）單邊帶噪聲系數(shù)（2）雙邊帶噪聲系數(shù)在正常情況下，雙邊帶的噪聲系數(shù)小于單邊帶的噪聲。3、線性度：線性度是系統(tǒng)中一個(gè)重要的指標(biāo);4、隔離（平衡）;5、其他性能參數(shù)：阻抗，功耗;6、混頻器的典型指標(biāo)：SSB NF：12 dBIIP3：+ 5 dB增益：10 dB。本設(shè)計(jì)中，用乘法器形成混頻器電路。AD835為乘數(shù)，振動(dòng)信號(hào)和輸入信號(hào)乘以兩個(gè)頻率和差分信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)混合效應(yīng)。與最常見(jiàn)的mc1569

27、相比，兩輸入信號(hào)可以具有1V的電容，并且可以有效抑制噪聲。但mc1569的最大信號(hào)振幅有兩個(gè)輸入端，分別為15MV和100MV，信噪比較低。 AD835具有更大的動(dòng)態(tài)范圍和更靈活的制作方式，更適合本設(shè)計(jì)主題。2.4 濾波模塊要輸出混頻器以獲得非中頻信號(hào)，需在后面添加窄帶濾波器?；祛l器輸入頻帶很大，濾波器功能是將測(cè)試中的信號(hào)頻率改變?yōu)橹蓄l，基于中頻變換，得到幅度。再對(duì)轉(zhuǎn)換到中頻的所有信號(hào)進(jìn)行分析以獲得頻譜。中頻輸入信號(hào)的功率和幅度值是線性的。如果輸入信號(hào)增加，它也會(huì)增加。所以我們有設(shè)計(jì)的檢測(cè)中頻信號(hào)的解決方案可行。設(shè)計(jì)中還應(yīng)存在中頻信號(hào)的放大過(guò)程。許多混頻器不會(huì)輸出具有豐富兼的諧波分量信號(hào)，只對(duì)

28、一個(gè)中頻感興趣。該濾波器以中間的帶通濾波頻率為中心，從其他濾波信號(hào)提取中頻信號(hào)。使用濾波器時(shí)，我們關(guān)注幾個(gè)因素：中心頻率和帶寬。該系統(tǒng)的核心為OPA228作為源帶通濾波器。其功能是僅允許信號(hào)通過(guò)并抑制流量范圍。 2.5 檢波模塊有效值檢波電路可以測(cè)量濾波器輸出信號(hào)的有效值，這樣可以更容易地獲得A / D并存儲(chǔ)RMS值供以后參考。使用二極管和電容器創(chuàng)建簡(jiǎn)單的測(cè)試電路。該方法涉及輸入信號(hào)幅度較大，輸入電壓的峰值與輸出電壓成線性關(guān)系。但是，如果輸入信號(hào)幅度很小，則測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。通過(guò)集成的RMS轉(zhuǎn)換芯片TLC1968設(shè)計(jì)，其具有高頻響應(yīng)的高分辨率RMS適配器可滿足該系統(tǒng)的要求。對(duì)于具有簡(jiǎn)單誤差和大帶

29、寬的各種復(fù)雜波形，相同計(jì)算的RMS轉(zhuǎn)換率可以具有實(shí)際RMS值?？梢允褂眯酒瑘?zhí)行峰值輸入信號(hào)檢測(cè)，直接計(jì)算峰值檢波器和最大正弦輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)分析，TLC1968可直接檢測(cè)混合固定頻率信號(hào)的有效值，提高了系統(tǒng)集成度，便于擴(kuò)展頻段。2.6 掃頻模塊頻率特性測(cè)試的本質(zhì)是頻率掃描信號(hào)的出現(xiàn)，它向給定頻率提供正弦信號(hào)，作為網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的公共輸入。系統(tǒng)編程采用CPLD芯片，采用EDA技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成正弦波形掃描裝置。直接數(shù)字頻率控制是一種純粹的數(shù)字方法。因?yàn)镈DS可保持固定相，并且可以實(shí)現(xiàn)幅度，頻率和相位控制，該DDS可編程，DDS技術(shù)是一種變換器D / A，和累加器相位，同表ROM正弦組裝線性頻率控制字

30、。其本質(zhì)為相位累加器。當(dāng)增量為1，累加器字寬為32時(shí)，輸出地址對(duì)應(yīng)于縱波1的相位分辨率，并對(duì)ROM表輸入不同瞬時(shí)相位輸出的幅度編碼。使用FPGA的DDS的實(shí)施過(guò)程中的基本流程如下：接口VXI系存儲(chǔ)在RAM固定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，然后使用相位累加器來(lái)計(jì)算并確定在RAM存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址，最后的輸出數(shù)據(jù)來(lái)控制頻率，最后通過(guò)轉(zhuǎn)換DAC實(shí)現(xiàn)任意波形的輸出。該技術(shù)在數(shù)字通信系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。它具有連續(xù)相變，高頻精度和快速頻率變化的特點(diǎn)。 DDS電路采用FPGA設(shè)計(jì)，可通過(guò)軟改參數(shù)使電路設(shè)計(jì)更加方便。 FPGA設(shè)計(jì)的DDS電路比DDS芯片更靈活，適用于芯片內(nèi)置的應(yīng)用，設(shè)計(jì)和機(jī)箱。系統(tǒng)的成本不會(huì)增

31、加太多。因此，F(xiàn)PGA的設(shè)計(jì)更具成本效益。波頻合成原理：直接數(shù)字合成器（DDS），這種技術(shù)在現(xiàn)階段比較典型，應(yīng)用范圍也很廣。我們可以通過(guò)DDS生成隨機(jī)波形，正弦波頻率可以不同，并且可以使用其來(lái)控制所生成波形的初始相位。DDS 的原理框圖如 2-2 所示。圖 2-2 DDS 原理圖 本系統(tǒng)由相位聚合器，低通濾波器，D / A適配器和波形存儲(chǔ)器組成。參考時(shí)鐘控制在相位組件中輸入的頻率控制字。其原理為數(shù)據(jù)用作標(biāo)簽，表搜索表標(biāo)題生成相空間，然后轉(zhuǎn)換相位容量，然后執(zhí)行相位轉(zhuǎn)換為幅度，從而輸出不同的相位編碼。相位聚合器通過(guò)N位加法和相位寄存器累加。每當(dāng)脈沖來(lái)自一時(shí)鐘時(shí)，加法器就會(huì)添加來(lái)自相位寄存器和頻率控

32、制的數(shù)據(jù)輸出，最后將結(jié)果發(fā)送到相位累加器數(shù)據(jù)的輸入，該數(shù)據(jù)在之前設(shè)置動(dòng)詞，數(shù)據(jù)在一小時(shí)后重新饋送到相反的輸入，然后通知繼續(xù)添加頻率和相位控制字?jǐn)?shù)據(jù)。同時(shí)，累加結(jié)果高于控制字相位的M位。另外，使用其結(jié)果作為波長(zhǎng)數(shù)據(jù)的地址標(biāo)題，以便相位在參考時(shí)鐘的影響下累積。當(dāng)它已滿時(shí)，會(huì)發(fā)生溢出，從而完成一個(gè)周期，它便是復(fù)合信號(hào)的周期，直接數(shù)字合成信號(hào)的頻率也就是收集器的溢出頻率。 2.7 本章小結(jié)本章主要完成了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，介紹了信號(hào)頻率特征檢測(cè)儀的總體設(shè)計(jì)思路。之后介紹了本文總體設(shè)計(jì)與基本原理。最后介紹了本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)組成以及混頻模塊，濾波模塊，檢波模塊及掃頻模塊的設(shè)計(jì)，闡述了選用這幾種方案的依據(jù)以及效用，

33、最后完成了本文的整體設(shè)計(jì)，為后續(xù)的研究工作做了充分的知識(shí)儲(chǔ)備和理論基礎(chǔ)。第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是信號(hào)頻率特征儀。輸入信號(hào)首先由前置放大器電路放大，然后與掃頻器的信號(hào)發(fā)送到混頻器，混合信號(hào)被放大并發(fā)送到濾波器濾波，僅發(fā)送423 kHz信號(hào)作為信號(hào)頻率輸出，再由檢波電路獲得的信號(hào)有效值的輸出被發(fā)送到高速AD轉(zhuǎn)換模塊，并且把這些有效值被存儲(chǔ)在FPGA的RAM中。 MSP430 MCU可以讀取FPGA的正確值，并在處理后將其發(fā)送到示波器的Y軸。 MCU還可以通過(guò)內(nèi)部DA生成正斜率三角波，并將其發(fā)送到示波器的X軸。兩者必須做到準(zhǔn)確同步，示波器的頻譜圖才可以正確得到。同時(shí)，通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)

34、可以調(diào)整掃描信號(hào)的中心頻率和帶寬，并可以通過(guò)LCD屏幕顯示測(cè)量的中心頻率，帶寬和相應(yīng)的動(dòng)作。硬件電路的總體設(shè)計(jì)如 3-1 所示。圖 3-1 系統(tǒng)的組成框圖 3.2 主要控制模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要的控制模塊是由 MSP430F169和外圍電路構(gòu)成。3.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)主芯片 MSP430F169 最小系統(tǒng)如圖 3-2，混合信號(hào)控制器功率非常低，可以在極低功率條件下工作。該控制器具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的外圍設(shè)備。借助閃存單片機(jī)器也可以進(jìn)行有效的在線編程和仿真。 MSP430F169芯片可用于不同頻率的多個(gè)時(shí)鐘源。本設(shè)計(jì)中，使用了8M和32.768K晶體，8M晶體通過(guò)XT2IN和XT2OUT引腳

35、連接到MSP430芯片，兩個(gè)電容連接到20pF形成電容，構(gòu)成了XT2CLK。 32.768K晶體兩端連接到MSP430芯片的XIN和XOUT引腳，連接兩個(gè)20pF的電容構(gòu)成LFXTICLK配置。同時(shí)，本芯片還包含數(shù)控振蕩器DCO。圖 3-2 MSP430F169 最小系統(tǒng)復(fù)位電路：芯片的電路復(fù)位電路需要單片機(jī)系統(tǒng)，以確保穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境。它的第一個(gè)功能是復(fù)位?，F(xiàn)階段有三種主要類型的復(fù)位模式：（1）手動(dòng)復(fù)位按鈕;（2）電源重啟;（3） IEA重置。本系統(tǒng)包括兩個(gè)單片機(jī)復(fù)位模式：重置手動(dòng)按鈕和看門狗復(fù)位。手動(dòng)復(fù)位是最常見(jiàn)的復(fù)位模式。將單片機(jī)的RESET引腳拉到按鈕上方，如圖3-3所示。如果檢測(cè)到

36、復(fù)位信號(hào)，其將從頭開(kāi)始自動(dòng)啟動(dòng)程序。 IEA重置是通過(guò)該機(jī)構(gòu)的內(nèi)置微電腦微型計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)的。一旦單片微處理器被禁用，單片機(jī)就無(wú)法在指定的死循環(huán)中工作，并且IEA計(jì)數(shù)器無(wú)法復(fù)位以重置IEA，造成該系統(tǒng)再次運(yùn)作。 IEA的重新調(diào)整對(duì)單片機(jī)穩(wěn)定性和系統(tǒng)的正常運(yùn)行有重大影響。圖 3-3 按鈕復(fù)位電路 于此同時(shí)，可以通過(guò)按鍵設(shè)置來(lái)調(diào)整外圍電路和其他電路的操作狀態(tài)。主要采用HD7279芯片設(shè)計(jì)。 HD7279A可以通過(guò)串行接口同時(shí)驅(qū)動(dòng)多達(dá)8個(gè)普通數(shù)碼管。該芯片可同時(shí)驅(qū)動(dòng)多達(dá)64個(gè)矩陣鍵，可以單芯片設(shè)置并完成鍵盤接口和LED顯示功能。主要特點(diǎn)：串行接口，無(wú)需外部元件即可直接驅(qū)動(dòng)LED;獨(dú)立控制編碼/解碼，不會(huì)

37、產(chǎn)生跳動(dòng)性能;向左/向右移動(dòng)以移動(dòng)命令。使用注意事項(xiàng)：HD7279應(yīng)采用普通陰極數(shù)碼管連接;應(yīng)用時(shí)，使用鍵盤和數(shù)碼管才可以連接。使用時(shí)必須連接到HD7279普通陰極數(shù)碼管;在設(shè)置過(guò)程中，使用鍵盤和數(shù)字控制才可連接;在應(yīng)用過(guò)程中，必須選擇下拉電阻連接到按一定比例鍵盤;要求HD7279振蕩電路外部接一個(gè)RC電路提供系統(tǒng)。使用7279芯片制成的按鈕模塊來(lái)控制運(yùn)行狀態(tài)。不使用掃描按鈕，但主中斷輸入按鈕設(shè)置為使用微控制器的P1.0提供程序執(zhí)行時(shí)間。P1.1，P1.2，P1.3 口。圖 3-4 為 7279 鍵盤電路。3.2.3 液晶及示波器顯示模塊本實(shí)驗(yàn)用 12864 液晶使用 ST79204 控制器，

38、5V 的電壓驅(qū)動(dòng)，自帶背光，8192內(nèi)置的 1616 點(diǎn)陣，128 字和 64256 點(diǎn)陣顯示 RAM，使用并行控制模式的外部CPU 接口。12864 采用標(biāo)準(zhǔn)的 20 腳接口，管腳連接如圖 3-5，其中：第 1 腳：VSS 為電源地；第 2 腳：VDD 接到 5V 的電源正極上；本文采用的12864液晶單元具有ST79204控制器，5伏的驅(qū)動(dòng)電壓，自背光，矩陣8192內(nèi)置1616點(diǎn)陣，128個(gè)字和64256點(diǎn)陣顯示RAM，使用該界面CPU并行控制模式外部。12864使用20腳的標(biāo)準(zhǔn)接口，管腳如圖3-5所示，其中：引腳1：VSS是地電;引腳2：VDD連接到5V電源的正極;引腳3：V0用作LCD

39、屏幕的對(duì)比度控制，連接接地電源時(shí)對(duì)比度更高。當(dāng)電源為正時(shí)，對(duì)比度較弱;引腳4：RS是寄存器選擇高電平 1 時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平 0 時(shí)選擇指令寄存器；引腳5：RW是讀/寫信號(hào)線。高電平 1 時(shí)可以進(jìn)行讀取，低電平 0 時(shí)可以進(jìn)行書(shū)寫；引腳6：E為使能端;引腳714：從D0到D7是雙向數(shù)據(jù)站;引腳15：選擇PSB并/串行，H是并行選擇，L是串行選擇;引腳 16：空；引腳17：復(fù)位RST，低電平有效;引腳18：空;引腳1920：電源背光。 19是正極，20是負(fù)極。在器件連接中，從D0到D7的雙向數(shù)據(jù)引腳從液晶順序連接到單片機(jī)的P2端口以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。引腳4,5和6從12864連接到單片機(jī)的P6

40、.3，P6.4和P6.5引腳。 15引腳連接到單片機(jī)的P6.1引腳。當(dāng)連接正確，寫入軟件時(shí)可以保證液晶的有效顯示。圖 3-5 LCD12864 液晶顯示屏接口 3.3 混頻模塊硬件設(shè)計(jì)混合模塊的功能是通過(guò)交換信號(hào)頻率來(lái)乘以輸入信號(hào)。我們可以使用二次超導(dǎo)混合芯片來(lái)搭建MC3362混合電路。它的外圍電路復(fù)雜，信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍小，輸出的電壓幅度為非線性，因此它會(huì)對(duì)頻譜測(cè)量產(chǎn)生一些影響?；祛l器輸出信號(hào)不是很干凈，因此其抑制弱噪聲弱。本設(shè)計(jì)使用乘法器來(lái)搭建混頻器電路。 AD835通過(guò)兩個(gè)頻率和差分信號(hào)放大振動(dòng)信號(hào)和輸入信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)混頻效果。與最廣泛使用的MC1569相比，可以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)幅度來(lái)抑制噪聲。

41、AD835具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，更靈活的輸出，在該設(shè)計(jì)中更加實(shí)用。3.3.1 前置放大電路前置放大電路采用基于0PA690芯片的設(shè)計(jì)方案。芯片0PA690高性能的放大器，并具有良好的性能噪聲指標(biāo)，并且可以提高輸出驅(qū)動(dòng)能力和比較小信號(hào)電源的帶寬，圖3-10為所示的前端放大電路，放大器，本文所需要的最小輸入信號(hào)為20mV ，使得峰值電壓1V的輸出放大電路18倍，2倍放大電路中的第一級(jí)，由于電阻是引進(jìn)50歐姆時(shí)，由于第一級(jí)的分壓放大倍率為1，且因?yàn)榉糯蟮诙?jí)是18倍。設(shè)一輸入為ui1,輸出為uol;兩個(gè)輸入輸出ui2，uo2，放大倍數(shù)的計(jì)算如下: 一級(jí)：二級(jí): 此前置放大電路可實(shí)現(xiàn)50歐姆的輸入阻抗，

42、其電壓輸入信號(hào)的有效值滿足20mV-50mV的要求。3.3.2 中頻的選擇在混頻器的輸出信號(hào)里面不僅有需要的差額信號(hào),還有一些諧波組合和諧波頻率，如果這些組合頻率接近于中頻并落在中頻放大器的通頻帶內(nèi),則會(huì)形成干擾。本文要對(duì)1-30MHz的波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)量，所以選擇的頻率為423KHz, 在整個(gè)波段，只有少數(shù)的頻率點(diǎn)符合。3.3.3 混頻電路 混頻的核心是頻譜轉(zhuǎn)換過(guò)程，通過(guò)將信號(hào)相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于集成電路的發(fā)展，內(nèi)置對(duì)稱乘法比分立元件更有效。我們選擇了美國(guó)AD公司的AD835集成乘法器來(lái)完成乘法和混頻功能。 AD835的輸出噪聲非常低。當(dāng)輸入信號(hào)為30 MHz時(shí)，它僅產(chǎn)生0.274毫伏的噪聲。它具有

43、更少的外部組件。以混頻電路與AD835倍增器作為一級(jí)混頻。電路的乘法器部分是實(shí)現(xiàn)級(jí)別的混合電路的主要部分。混頻是一種線性移動(dòng)光譜，旨在引入輸入信號(hào)、差頻信號(hào)和掃頻信號(hào)。 假設(shè)輸入信號(hào)電壓為: (3-3)掃頻信號(hào)電壓為: (3-4)經(jīng)過(guò)混頻后的信號(hào)為: (3-5) 由于每個(gè)混頻器的輸入信號(hào)頻率相等且相位不同，因此結(jié)果是一個(gè)支流信號(hào)和一個(gè)而被頻率的信號(hào)。通常，僅請(qǐng)求一個(gè)中頻信號(hào)，并且通常使用帶通濾波器來(lái)移除使用的邊帶。對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輸入信號(hào)和頻率信號(hào)在混頻器中一起輸入，然后把中頻信號(hào)通過(guò)濾波器濾波，最后發(fā)送到檢測(cè)電路進(jìn)行RMS檢測(cè)。信號(hào)頻率特征儀的主要部分便是混頻器。 混頻器電路圖如圖3-11所示

44、。3.4 濾波器模塊硬件設(shè)計(jì)對(duì)于混頻輸出的非中頻信號(hào)，有必要在最后階段添加一個(gè)窄帶濾波器。 本系統(tǒng)的波段濾波器采用0PA228。 其功能是僅允許帶通信號(hào)通過(guò)并抑制通帶。 由于DDS掃描的最終頻率已設(shè)置為010MHz，因此濾波器輸出的中心頻率為423 kHz。 通過(guò)對(duì)通常的波導(dǎo)濾波器進(jìn)行一些改變來(lái)獲得以下的帶通波濾波器。電路原理圖如圖3-12。由圖可計(jì)算出，此濾波器的通帶增益為:3.5 檢波電路硬件設(shè)計(jì)檢測(cè)電路的功能是提取正弦信號(hào)的有效值。為了提高檢測(cè)精度，檢測(cè)電路由TLC1968芯片組成。該芯片主要用于將AC信號(hào)的RMS值轉(zhuǎn)換為DC信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。外圍電路是電容器，電容器選擇極為重要，這決定了檢

45、測(cè)時(shí)間和穩(wěn)定性的準(zhǔn)確性。具有高檢測(cè)精度的大容量具有長(zhǎng)的放電時(shí)間。小電容器提高了當(dāng)前電流檢測(cè)電路的檢測(cè)精度。為了提高DDS掃描的速度和數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，我們選擇了一個(gè)10uF的電容器，效果很理想。檢測(cè)圖如圖3-13所示。這里，放大器檢測(cè)器用于促進(jìn)的采樣。檢波器電路如圖3-13所示。3.6 掃頻發(fā)生模塊它是一種直接數(shù)字頻率混合器，通常是第三代頻率調(diào)諧技術(shù)。該方法不僅可以在各種頻率的正弦波中發(fā)生，還可以控制波形的初始相位，并且可以產(chǎn)生任意波形。 DDS框圖如圖3-7所示。圖3-7 DDS原理圖該系統(tǒng)由相位合成器，低通濾波器，D / A適配器和波形存儲(chǔ)器組成。參考時(shí)鐘控制要發(fā)送到相位編譯器的頻率控制字

46、，產(chǎn)生相位距離。該數(shù)據(jù)用作搜索表的地址以處理ROM表，然后執(zhí)行相位轉(zhuǎn)換以輸出不同相位編碼的能力。相位控制器由N位擴(kuò)展和相位寄存器組成。每次脈沖發(fā)生一時(shí)鐘，加法器就回記錄和相加控制的數(shù)據(jù)輸出，最后將結(jié)果發(fā)送到相位合成器的輸入端，反饋數(shù)據(jù)輸入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)會(huì)增加控制和頻率數(shù)據(jù)繼續(xù)累積，并在同一時(shí)間將看到累積的結(jié)果，該結(jié)果是用來(lái)尋址的波形數(shù)據(jù)地址信號(hào)。這樣，在參考時(shí)鐘中，相位累加器將添加相位，當(dāng)相位編譯器滿時(shí)，將存在時(shí)間溢出，完成一個(gè)周期循環(huán)，這是復(fù)合信號(hào)的周期，直接數(shù)字合成信號(hào)的頻率是累加器溢出的頻率9。圖3-8是DDS時(shí)序圖，它將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。這是因?yàn)閟ig_clk是系統(tǒng)是時(shí)鐘輸

47、入，sig latch，sig sel，dat_in是串行數(shù)據(jù)輸入，dat_out是輸出串行數(shù)據(jù)。圖3-8 DDS時(shí)序仿真結(jié)果在產(chǎn)生頻率掃描信號(hào)之后，自動(dòng)控制信號(hào)以穩(wěn)定掃描輸出信號(hào)的輸出電壓。該電路使用集成的AD603芯片。這是一個(gè)可編程增益調(diào)節(jié)器芯片，它將運(yùn)算放大器與可調(diào)增益范圍相結(jié)合可用于低噪聲信號(hào)，作為分貝增益和電壓之間電壓之間的線性關(guān)系，以控制增益。帶寬信號(hào)增益為1130 dB。增益控制接口的輸入阻抗相對(duì)較高。在多通道應(yīng)用中，可以用一個(gè)電壓控制多個(gè)參考放大器。同時(shí)，增益控制接口也是差分輸入能力，必須根據(jù)輸入信號(hào)的電平和極點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)以確定適當(dāng)?shù)目刂破飨到y(tǒng)。在設(shè)計(jì)上，采樣高速后，單片機(jī)計(jì)算

48、增量以及控制得到的增益電壓，精確控制放大器增益，可以達(dá)到穩(wěn)定輸出。圖3-9電路是雙路信號(hào)輸出后單片機(jī)的DA共同控制的。3.7 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)鑒于部分模塊使用電源為4.5V，而 MSP430F169使用3.3V電壓。所以設(shè)計(jì)一個(gè)電路將4.5V 直流電壓轉(zhuǎn)化成3.3V直流。該電路使用AMS1117-3.3芯片。它是一個(gè)低壓差分穩(wěn)壓器，可產(chǎn)生3.3 V 1A的直流輸出。 AMS1117將熱保護(hù)與限流電路相結(jié)合，穩(wěn)壓芯片非常適合用作3.3伏直流穩(wěn)壓器。 其具體的電路設(shè)計(jì)如圖 3-6。當(dāng)從1117-3.3將4.5伏穩(wěn)壓電源插入VIN端時(shí)，GND端接地，Vout端就會(huì)提供3.3伏穩(wěn)壓輸出。由于輸出信號(hào)可

49、能有噪聲的干擾，所以添加兩個(gè)電容來(lái)過(guò)濾輸出，使輸出電壓更穩(wěn)定，如圖3-6中的C2和C4電容所示。圖3-6能量轉(zhuǎn)換電路通過(guò)該電路，便同時(shí)擁有了4.5V和3.3V的電壓，可以滿足不同設(shè)備電源的系統(tǒng)要求。3.8 本章小結(jié)本章介紹了硬件總體設(shè)計(jì)，主要控制模塊設(shè)計(jì)，混頻模塊，濾波模塊，檢波模塊及掃頻模塊的硬件設(shè)計(jì)以及電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。本章設(shè)計(jì)的具體的各個(gè)模塊進(jìn)行了分析與理論說(shuō)明，基本完成了本文的所有硬件設(shè)計(jì)。第四章 軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要用于完成掃頻控制，頻率特性基于零方位移原理。計(jì)算和特征顯示出獨(dú)特的曲線。在引導(dǎo)時(shí)，系統(tǒng)將首先判定當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，然后根據(jù)相應(yīng)的情況執(zhí)行相應(yīng)的操作。本方案

50、基本上將該系統(tǒng)的運(yùn)作分為兩個(gè)工作圖。程序主要有兩個(gè)工作狀態(tài)：設(shè)置態(tài)與運(yùn)行態(tài)。系統(tǒng)激活后，LCD屏幕和按鈕被初始化。在選定的情況下，使用用戶可以通過(guò)按鍵來(lái)調(diào)整屏幕中心頻率，顯示內(nèi)容。在運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)將連續(xù)執(zhí)行掃頻控制，頻譜計(jì)算并控制輸出顯示，并通過(guò)按鍵中斷服務(wù)程序來(lái)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。圖4-1顯示了主程序流程圖和相關(guān)的單元模式。圖 4-1 主程序流程圖 4.2 設(shè)置狀態(tài)和在運(yùn)作狀態(tài)處理函數(shù)設(shè)計(jì)在設(shè)置狀態(tài)下，尚未輸出頻譜。用戶可以通過(guò)按鍵設(shè)置所需的屏幕中心，頻率，帶寬和所需顯示內(nèi)容等。通過(guò)在設(shè)置后可啟動(dòng)開(kāi)始運(yùn)作鍵來(lái)開(kāi)始操作。系統(tǒng)開(kāi)始使用7279鍵盤上的操作鍵工作，此時(shí)LCD將顯示相應(yīng)的操作狀態(tài)。首先，

51、單片機(jī)控制FPGA輸出已設(shè)置的相應(yīng)頻率和相位的正交掃描信號(hào)，該信號(hào)與待測(cè)放大信號(hào)一起輸入到混頻器。混頻輸出信號(hào)的頻率更復(fù)雜，然后中頻信號(hào)通過(guò)濾波器輸出所需的濾波函數(shù)。過(guò)濾檢測(cè)之后，MSP430的AD收集和處理的輸出數(shù)據(jù)（考慮MCU的存儲(chǔ)空間和運(yùn)行速度，所收集的數(shù)據(jù)將被發(fā)送到FPGA的ROM用于存儲(chǔ)，和然后輸入到單片機(jī)計(jì)算）。在上一個(gè)操作完成后，單片機(jī)將從FPGA讀取有效值。 DA處理后，將其發(fā)送到示波器的Y軸。與此同時(shí)，在MCU的另一DA將產(chǎn)生從0到30MHz的正斜率電壓，并用1MHz的的間隔，其被發(fā)送到示波器的X軸的頻率標(biāo)記。要求X軸和Y軸必須是同步輸入，以便雙路DA的輸出數(shù)據(jù)可以輸入到示波

52、器以顯示頻譜。系統(tǒng)一直運(yùn)行，直到它被設(shè)置為適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)。設(shè)置狀態(tài)和運(yùn)作轉(zhuǎn)狀態(tài)處理函數(shù)的流程圖如圖 4-2(a)和 4-3(b)所示。(a) 設(shè)置狀態(tài)處理函數(shù)流程圖 (b) 運(yùn)行狀態(tài)處理函數(shù)流程圖圖 4-2 各狀態(tài)函數(shù)流程圖4.3 7279接收按鍵信息中斷服務(wù)流程設(shè)計(jì)在程序開(kāi)始時(shí)，鍵盤被初始化并選擇相應(yīng)的操作狀態(tài)。在程序中，通過(guò)一個(gè)外部狀態(tài)信號(hào)用于控制中斷信息鍵的值，并為該操作選擇相應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行判斷。在設(shè)置和運(yùn)行狀態(tài)下執(zhí)行相應(yīng)的工作。設(shè)置按鍵時(shí)，可以通過(guò)鍵盤輸入中心頻率和帶寬等信息，相應(yīng)的信息將顯示在液晶顯示屏上。按下運(yùn)行鍵，系統(tǒng)開(kāi)始工作。此時(shí)，信息設(shè)置按鈕被禁用。按下運(yùn)行鍵后，所有系統(tǒng)設(shè)備都開(kāi)始工

53、作，效率更高（如4.2所述）。該芯片可同時(shí)連接多達(dá)64個(gè)鍵盤矩陣鍵，并完成全屏顯示和鍵盤接口。7279 接收按鍵信息中斷服務(wù)程序流程如圖 4-3。 圖 4-3 7279 接收按鍵信息中斷服務(wù)函數(shù)流程4.3 本章小結(jié)本章完成了本文的軟件設(shè)計(jì)部分。本章描述了軟件設(shè)計(jì)的要求，也完成了本文的主程序軟件的設(shè)計(jì)，完善了本文的最后設(shè)計(jì)與補(bǔ)充。第五章 調(diào)試與結(jié)果主要測(cè)試儀器有：LPS-305數(shù)字線性電源，DG4102信號(hào)發(fā)生器，DS1102D雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器，DT9205數(shù)字萬(wàn)用表等。主要測(cè)試方法是：正交掃頻源測(cè)試：輸出頻率步進(jìn)為100 kHz。 對(duì)于具有頻率輸出的每個(gè)信號(hào)，都用示波器觀察其幅度，電壓峰值等信息。5.1 正交掃頻信號(hào)源測(cè)試正交掃頻信號(hào)源的測(cè)試：使輸出頻率按 100kHz 步進(jìn)，使用示波器觀察每一個(gè)輸出頻率信號(hào)的電壓峰值，幅度信息。數(shù)據(jù)結(jié)果如表 5-1所示。表 5-1 前置放大器測(cè)試數(shù)據(jù)表（輸入信號(hào)峰峰值為 14mV）由表 5-1 可得出當(dāng)此設(shè)計(jì)正交掃頻信號(hào)頻率為 1MHZ15MHZ 時(shí)，幅度比較穩(wěn)定，適合于測(cè)量，輸出較穩(wěn)定相頻和幅頻等特性。5.2 制作的增益控制電路的測(cè)試結(jié)果在正弦信號(hào)輸出與傳輸?shù)倪^(guò)程中，要保證幅度穩(wěn)定，使信號(hào)按照一定的步進(jìn)輸出。本文設(shè)計(jì)了增益控制電路。下面是對(duì)增益控制信號(hào)的測(cè)試。表 5-2 增益控制測(cè)試從表中可觀察到，伴隨著輸入端電壓增大，增益