1、实用文档 文案大全 2013 年 全 国 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 简易频率特性测试仪（E 题） 【本科组】 2013 年 9 月 6 日 实用文档 文案大全 摘 要 本实验以 DDS 芯片 AD9854 为信号发生器，以单片机 STM32F103RBT6 为核心 控制芯片。系统由 5 个模块组成：正弦扫频信号模块，待测阻容双 T 网络模块， 整形滤波模块，A/D 转换模块及显示模块。先以单片机送给 AD9854 控制字产生 1MHZ40MHZ 的扫频信号，经过阻容双 T 网络检测电路，两路路信号通过 AD9283 对有效值进行采集后进入单片机进行幅值转换，最终由 TFTLCD 显示
2、输出。 ABSTRACT In this experiment, the DDS chip AD9854 as the signal generator, MCU STM32F103RBT6 as the core control chip, and with FPGA as auxiliary, and on the peripheral circuit to realize the detection of amplitude frequency and phase frequency. The system comprises 6 modules: signal sine sweep s
3、ignal module, the measured resistance capacitance of double T module, filter module, A/D conversion module and display module. The first single-chip microcomputer to AD9854 control word generate sweep signal of 10MHZ - 40MHZ, the resistance and capacitance of double T detection circuit, two road sig
4、nals are collected on the effective value through the AD9283 into the microcontroller to amplitude conversion, the LCD display output, finally to complete the amplitude frequency and phase frequency of simple test. 实用文档 文案大全 目 录 1 系统方案 1 1.1 AD9854 模块的论证与选择 .1 1.2 单片机控制系统模块的论证与选择 1 1.3 显示模块的论证与选择 2
5、1.3 电源模块的论证与选择 2 2 系统理论分析与计算 2 2.1 系统原理的分析 2 2.2 滤波器的设计 3 2.2.1 滤波器电参数的计算 .3 2.2.2 Multisim 仿真电路 .3 2.3 ADC 设计 4 2.3.1 AD9283 匹配电路设计 .4 2.3.2 电路图 .5 2.4 被测网络设计 5 2.4.1 被测网络的电参数选择 .5 2.4.2 Multisim 仿真 .5 3 电路与程序设计 6 3.1 电路的设计 .6 3.1.1 系统总体框图 6 3.1.2 正交扫频信号子系统框图与电路原理图 .7 3.1.3 单片机显示系统模块子系统框图与电路原理图 .8
6、3.1.4 电源 9 3.2 程序的设计 .9 3.2.1 程序功能描述与设计思路 9 3.2.2 程序流程图 10 4 测试方案与测试结果 .11 4.1 测试方案 .11 4.2 测试条件与仪器 12 4.3 测试结果及分析 13 4.3.1 测试结果(数据) 13 4.3.2 测试分析与结论 13 附录 1：电路原理图 .14 附录 2：源程序 .16 实用文档 文案大全 简易频率测试仪（E 题） 【本科组】 1 系统方案 本系统主要由 AD9854 模块、单片机控制系统模块、显示模块、电源模块组 成，下面分别论证这几个模块的选择。 1.1 AD9854 模块的论证与选择 方案一：采用数
7、字直接频率合成技术(DDFS)。以单片机和 FPGA 为控制核心,利用 FPGA 中的 N 位地址存储相应的正弦表值，通过改变频率控制字 K，寻址相位累加 器的波形存储器的数据,以产生所需频率的正弦信号 fout=fin *K/2N。该方案频率 比较稳定，抗干扰能力强，但程序实现会有一定的繁琐性，并且会占用 FPGA 资 源。 方案二：采用程控锁相环频率合成方案。锁相环频率合成是将高稳定度和高精确 度的标准频率经过加减乘除的运算产生同样稳定度和精确度的大量离散频率，在 一定程度上解决了既要频率稳定精确、又要频率在较大范围可变的矛盾，能产生 方波，通过积分电路就可以得到同频率的三角波，再经过滤波
8、器就可以得到正弦 波，但采用了多次积分电路，这种具有惰性特性的电路误差大且不能满足相频曲 线和幅频曲线的输出要求，功能扩展能力有限。 方案三：采用 DDS 芯片 AD9854。根据题目要求，结合性价比，我们选用 AD9854。AD9854 是 AD 公司采用先进的 DDS 技术生产的具有高级集成度的 DDS 器 件，它的最高工作时钟为 300MHz，正常输出工作频率范围为 0300，精 度可达 0.04，它还具有调频和调相功能，通过单片机的适当控制便可产生高 带宽的正弦波信号。该方案产生的信号频率稳定度较好，操作简易，但抗干扰性 有一定的不足。 综上论证比较：与 DDFS 及锁相环频率合成相比
9、，采用 DDS 芯片合成正弦信 号的频率建立与切换简单，频率单一，频率覆盖范围广，精度高，可控性强，功 能扩展能力大。故采用方案三。 1.2 单片机控制系统模块的论证与选择 方案一：8 位内核的51 类MCU 的资源往往是最大几K-100K 的flash。 100-几K 字节的RAM， IO， 串口，定时器，8 位数据总线， AD 等简单的资源。 目标确 定，单一。结构简单，指令简单。 易于理解和操作，这些特点也是51 能深入人 心的因素。但是，51类MCU处理速度慢，内部资源少。 方案二：STM32 系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设 计的 ARM Cortex-M3
10、内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型” 系列和 STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到 72MHz，是同类产 实用文档 文案大全 品中性能最高的产品；基本型时钟频率为 36MHz，以 16 位产品的价格得到比 16 位产品大幅提升的性能，是 16 位产品用户的最佳选择。两个系列都内置 32K 到 128K 的闪存，不同的是 SRAM 的最大容量和外设接口的组合。时钟频率 72MHz 时， 从闪存执行代码，STM32 功耗 36mA，是 32 位市场上功耗最低的产品，相当于 0.5mA/MHz 综合以上两种方案，选择方案二。 1.3 显示模块的论证与选择
11、方案一：采用 LCD1602 液晶显示。此液晶为工业字符型液晶，能够同时显示 16x02 即 32 个字符。它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模 块。它由若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示 一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和 行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义 CGRAM，显示 效果也不好） 。 方案二：采用 TFTLCD。TFTLCD 彩屏集成各种字库，容易操作，可以显示数字、 英文、汉字以及图像。 综合考虑采用方案二。 1.3 电源模块的论证与选择 方案一：采用干电池供电。干
12、电池可以提供 3V 和 4.5V 或者 6V 电源，可以给各 个模块提供足够的电压。但是干电池续航能力不足，成本计较大。 方案二：采用适配器 5V 供电。通过 AMS117 芯片加入 47uF 的去耦电容产生 3.3V 电源供给 AD9854 系统和 STM32 系统。 综合考虑采用采用适配器 5V、3.3V 供电模块。 2 系统理论分析与计算 2.1 系统原理的分析 正交解调原理：无论中频信号的调制方式如何，都可以先使用正交解调，然 后再依据调制方式处理恢复信号。正交解调也叫正交基带变换，其目的是去掉调 制信号中的载频，将信号变到零中频(基带)。一个载频为叫 的实调制信号可以 表示为：(t)
13、= a(t)COS叫 t+0(t)则其复信号解析式为：z(t)=口(t)cos t+0(t) +皿()sint+0(t)其中 a(t)表示信号的瞬时包络， (t)= 叫 t+0(t)表示信号 的瞬时相位，而叫(t)= (t)dt= 叫 +0 (r)表示信号的瞬时角频率。各种调制 方式的信号调制信息都包含在这 3 个特征量中。经正交解调后得到的零中频信号 (基带信号)为： Z (t) = a(t)cos0(t)+ja(t)sin0(t) = Z (t)+ (t) 实用文档 文案大全 式中 z (t)= a(t)cos0(t) Z (t)和 Z 肋(t)分别为基带信号中的同相分量和正交 分量，或称
14、 I 路分量和 Q 路分量。 2.2 滤波器的设计 2.2.1 滤波器电参数的计算 采用有源滤波，二阶有源低通滤波环节参数计算公式如下： 。 = 12 =1+32 =| 13|3 由要求，我们选取中心频率为 250KHz，参数选择和电路图 1 如下 R R C C T L 0 7 2 R f R 1 - 5 V + 5 V + - 图 1 二阶有源低通滤波电路图 选 C=1000pF，由 fo=250KHz 计算得 R=637。实际选取 R=680，实际中心频率 为 234KHz，满足要求。选取 Rf=1.2K，R1=1.5K。可得 Av=1.8 满足要求。增 益为 5.1dB。 2.2.2
15、Multisim 仿真电路 仿真主要指的是仿真硬件和仿真软件。仿真硬件中最主要的是计算机。软件 的仿真能够根据理论的电路来进行建立连接，测试。这样可以更好的发现电路中 的一些问题，从而大大的减小了实际硬件电路的出错概率，这样可以更好的降低 成本。 用 Multisim 仿真电路图 2 如下： 实用文档 文案大全 图 2 滤波仿真图 结果如下图 3： 图 3 滤波仿真图结果图 2.3 ADC 设计 2.3.1 AD9283 匹配电路设计 AD9283 的输入阻抗匹配电路如图4 所示: ZS= 50 , ZL = 10 k ,特性阻抗ZO = 10 k. 匹配网络采用网络来设计,该网络在完成阻抗匹
16、配的同时通过低通滤波 来去除一些噪声干扰。 实用文档 文案大全 2.3.2 电路图 图 4 AD9283 匹配电路图 2.4 被测网络设计 2.4.1 被测网络的电参数选择 被测网络电路图，电路计算公式 。 = 12= 14(1) 由题目要求得，中心频率5kHz，带宽50Hz ，计算得出 ，选取508.3RC C=1000pF，可得 R=31.8K。另外， Q=50，所以 K=0.995，选(1-KR1)=820，则 KR1=163K。 2.4.2 Multisim 仿真 用 Multisim 仿真电路图如下图 5： 图 5 被测网络仿真图 仿真结果如下图 6： 实用文档 文案大全 图 6 被
17、测网络仿真结果图 根据仿真结果可知，此电路完全满足设计要求。 3 电路与程序设计 3.1 电路的设计 3.1.1 系统总体框图 系统总体框图如图 7 所示： 正 交 扫频 信 号 显 示模 块滤 波 被 测 网络 ST M3 2控 制模 块 AD 转换 乘法 器 图 7 系统总体框图 实用文档 文案大全 3.1.2 正交扫频信号子系统框图与电路原理图 1、AD9854 子系统框图 AD985474HC245 5V电 源 3.3V电 源 STC12C5A60S2单 片 机 震 荡电 路独 立按 键 图 8 AD9854 子系统框图 2、AD9854 子系统电路图 GN/OIULKWRBFPEYs
18、etMJ_Q 实用文档 文案大全 P1.0/ADC2345678RST9XINLGEVUHF OK-YJomkey 图 9 AD9854 子系统电路电路图 3.1.3 单片机显示系统模块子系统框图与电路原理图 1、STM32 子系统框图 STM32F103RBT6 3.3V电 源 震 荡 电 路 显 示 模 块 按 键 模 块 图 10 STM32 子系统框图 2、STM32 子系统电路 实用文档 文案大全 1432BREST0K+VC5nFpX8MHz (withsocke)6-GQ.7maufrJNY9DPAW#O_IU/lgLbydxv 图 11 STM32 子系统电路 3.1.4 电源
19、 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 和 3.3V 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 根据题目要求软件部分主要实现正交扫频信号、AD 转换、按键和参数显示。 1）正交扫频信号：要求输出 1MHZ40MHZ 的正弦信号。 2）AD 转换：把输出的模拟信号转换为数字信号。 实用文档 文案大全 3）按键：设置频率增减和扫频设置。 4）显示部分：显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率。 2、程序设计思路 1）复位 DDS，即 Master 保持 1
20、0 个以上系统时钟周期的正脉冲； 写控制寄存器。设置工作模式、数据更新方式、锁相环倍数、开启和 屏蔽 应的功能。 写数据寄存器。写入扫频的起始频率和终止频率，设置扫频步进和扫 频斜率。 数据设置完成以后，在数据更新管脚产生正脉冲，芯片开始扫频，并 不断以终频-初频- 终频的方式循环。 2）采用 8 路 A/D 转换 3）设置一个按键用来控制增加和减少输出信号的频率，一个按键用来控制 扫频设 置。 4）采用 STM32 单片机来控制彩屏显示电压值、频段 3.2.2 程序流程图 开 始 AD9854产 生 正 交 扫频 信 号 A/D转 换 STM32显 示 结 束 开 始 复 位 DDS 写 控
21、 制 寄 存 器 写 数 据 寄 存 器 结 束 扫 频 图 13 AD9854 信号源 开 始 输 出 允 许 信 号 结 束 启 动 A/D转 换 转 换 结 束 信 号 输 入 时 钟 信 号 地 址 锁 存 信 号 图 14 A/D 转换子 程序流程图 开 始 结 束 写 数 据 显 示 数 据 STM32初 始 化 TFTLCD初 始 化 图 15 STM32 实用文档 文案大全 图 12 主程序流程图 子程序流程图 显示子程序流程图 4 测试方案与测试结果 4.1 测试方案 1、硬件测试如下图 16 所示： 图 16 硬件调试实物图 2.实验系统调试过程中发现以下几点问题： 1）地
22、线不稳定或过长时，由于分布电容的存在，频率测量会有几 Hz 的跳动。 2）在用示波器探针线会有损坏而导致测量不出数据。 3）电源模块正、负电源管脚处接 47uF 的滤波电容。在输出端上拉电阻处并 小电容，有显著滤除振荡效果。 4）在每个独立电源的正、负处都要接一大一小的滤波电容。 5) 在接线时，尽量避免输入与输出线距离过近，否则会对测量有一定影响。 3、软件仿真测试 实用文档 文案大全 软件仿真图如下图 17 所示： GND GND GND GND R149.9 U1 AD8009AR 3 2 4 7 6 R2300 R3 300 VCC5V VEE-5V C160pF XFG1 R4 20
23、0 XSC1 A B Ext Trig+ + _ _ + _ 图 17 放大器软件仿真图 仿真结果如下图所示： 图 18 放大器软件仿真结果图 4.2 测试条件与仪器 测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并 且检查无误，硬件电路保证无虚焊。 测试仪器：高精度的数字毫伏表，数字示波器，数字万用表。 实用文档 文案大全 4.3 测试结果及分析 4.3.1 测试结果(数据) 2V 档信号测试结果好下表所示： （单位 /V） 信号值 0.2050 0.2100 0.2045 0.4026 1.007 1.542 1.669 1.999 显示 0.2051 0.2100 0.2044 0.4026 1.006 1.542 1.669 1.999 4.3.2 测试分析与结论 根据上述测试数据，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，由此 可以得出以下结论： 1、 2、 3、 综上所述，本设计达到设计要求。 实用文档 文案大全 附录 1：电路原理图 D76253408V9GNCA/SOIU LKWRBFPHEYTsetM.J_QX-omky 实用文档 文案大全 1432BREST0K+VC5nFpX8MHz (withsocke)6-GQ.7maufrJNY9DPAW#O_IU/lgLbydxv 实用文档 文案大全 附录 2：源程序
