電子競賽論文利用變頻和濾波技術(shù)實現(xiàn)對輸入信號的頻譜分析

PAGEPAGEIII2015年全國大學生電子設(shè)計競賽陜西賽區(qū)設(shè)計報告作品編號：（由組委會填寫）作品編號：（由組委會填寫）參賽隊編號（參賽學校填寫）學校編號組（隊）編號選題編號2604E說明為保證本次競賽評選的公平、公正，將對競賽設(shè)計報告采用二次編碼；本頁作為競賽設(shè)計報告的封面和設(shè)計報告一同裝訂；“作品編號”由組委會統(tǒng)一編制，參賽學校請勿填寫；“參賽隊編號”由參賽學校編寫，其中“學校編號”應(yīng)按照巡視員提供的組委會印制編號填寫，“組（隊）編號”由參賽學校根據(jù)本校參賽隊數(shù)按順序編排，“選題編號”由參賽隊員根據(jù)所選試題編號填寫，例如：“0105B”或“3367F”。5.本頁允許各參賽學校復(fù)印。摘要頻譜分析儀是信號處理中一個非常常用且重要的儀器。本設(shè)計利用變頻和濾波技術(shù)實現(xiàn)對輸入信號的頻譜分析。設(shè)計完成了由鎖相環(huán)組成的本振源電路，其中VCO電路由MAX2620和集總LC元件構(gòu)成，鎖相頻率合成器芯片選用MB1504，實驗測試頻率頻率范圍為90MHz~110MHz，步進為100KHz；混頻電路采用乘法器AD835完成，中頻信號選為10.7MHz；通過有效值轉(zhuǎn)直流芯片LTC1968實現(xiàn)對中頻信號的檢波功能；設(shè)計完成了本振源信號連續(xù)掃描、頻譜記錄等處理，實現(xiàn)了對待分析信號80MHz~100MHz的輸入信號的頻譜、雜散等分析功能；另外，設(shè)計還通過微處理器實現(xiàn)了頻譜顯示、環(huán)路鎖定顯示等功能。關(guān)鍵字：頻譜分析混頻器鎖相環(huán)目錄1系統(tǒng)方案 41.1本振電路的選擇 41.2混頻電路的選擇 51.3檢波電路的論證與選擇 52系統(tǒng)理論分析與計算 62.1VCO諧振回路LC的計算 62.2MB1504前置分頻器理論分析 63電路與程序設(shè)計 73.1各部分單元電路的設(shè)計 73.2程序的設(shè)計 84測試方案與測試結(jié)果 84.1測試方案 84.2測試條件與儀器 94.3測試結(jié)果及分析 94.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù)) 94.3.2測試分析與結(jié)論 10附錄1：電路原理圖 11PAGEPAGE14 80MHz~100MHz頻譜分析儀（E題）【組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由本振電路，中頻放大電路，混頻電路，濾波電路，鑒頻電路。系統(tǒng)總體框圖如圖1-1所示，下面分別論證這幾個模塊的選擇。圖1-1系統(tǒng)總體框圖1.1本振電路的選擇根據(jù)題目要求，制作一個基于鎖相環(huán)的本振源，作為混頻的一路輸入。通過晶體振蕩器提供的標準頻率，在給定的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生與該晶體振蕩器穩(wěn)定度相同的大量離散頻率信號。圖1-2鎖相環(huán)頻率合成器原理方案一：通過集成鎖相頻率合成芯片MB1504與MC12148壓控振蕩器構(gòu)成鎖相環(huán)電路。優(yōu)點：電路簡單，搭建方便；缺點：輸出的振蕩受干擾比較嚴重。方案二：CD4046集成鎖相環(huán)。CD4046是一個集成鎖相環(huán)，內(nèi)部集成穩(wěn)壓，整形，分頻，壓控振蕩器等電路。只需配置外部電阻電容的值即可輕松實現(xiàn)鎖相環(huán)電路。優(yōu)點：電路簡單，易實現(xiàn)。缺點：難以進行數(shù)控，不能實現(xiàn)掃頻。方案三：集成電路MAX2620和集總LC元件構(gòu)成窄帶VCO電路模塊，然后同集成鎖相頻率合成器芯片MB1504一起構(gòu)成鎖相環(huán)式低噪聲、高穩(wěn)定性的鎖相頻率源電路。優(yōu)點：穩(wěn)定性好，受電源及分布參數(shù)小，調(diào)試方便；缺點：外部電感參數(shù)太小，不易測量和選用。由于題目要求由鎖相環(huán)產(chǎn)生的本振源頻率范圍是90MHz~110MHz，方案一實現(xiàn)起來較為復(fù)雜，方案二基本不能滿足題目要求，而方案三中，MAX2620是一款較寬頻率范圍(10～1050MHz)的集成振蕩器芯片，它具有高頻雙極工藝所特有的低閃爍噪聲、低噪聲系數(shù)和低寄生特點。我們通過計算得到適當?shù)恼袷幓芈?，設(shè)計出所需中心頻率的壓控振蕩器電路。通過查找資料可知，MAX2620內(nèi)部的有源器件對諧振回路的負載極輕，因而可使振蕩回路具有較高的有載Q值，以用來設(shè)計窄帶壓控振蕩器電路。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.2混頻電路的選擇輸入信號與本振信號混頻產(chǎn)生多個各次諧波的中頻信號，再通過固定中心頻率的帶通濾波器，得到各個固定差頻的信號。方案一：仿照收音機混頻原理，利用CMOS管構(gòu)建一個混頻電路優(yōu)點：CMOS管容易獲得，通用性強。缺點：電路搭建復(fù)雜，電感和變壓器需要自己繞制，電感量不容易控制。分立元件信號處理電路容易產(chǎn)生各種失真。方案二：利用乘法器AD835得到差頻和和頻以及諧波的奇數(shù)倍，再通過帶通濾波器，得到差頻信號。優(yōu)點：電路以及乘法原理簡單，方便調(diào)試；缺點：AD835的上限頻率為250MHz，我們的兩路輸入信號的最大和頻為210MHz，接近其帶寬，可能會對電路有影響。方案三：二極管環(huán)形混頻電路是典型的應(yīng)用電路，可以較為容易地得到固定中頻信號的信號。優(yōu)點：輸出信號頻率等于兩輸入信號頻率之和、差或其他組合的電路。通常由非線性器件和選頻回路；缺點：輸出信號頻率等于兩輸入信號頻率之和、差或其他組合的電路。通常由非線性器件和選頻回路；由于二極管環(huán)形混頻電路輸出信號頻率等于兩輸入信號頻率之和、差或其他組合的電路。通常由非線性器件和選頻回路組成，一般市場上供求少，用分立元件搭建電路復(fù)雜，沒有乘法器原理簡單。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.3檢波電路的論證與選擇通過帶通濾波器得到的信號是中頻信號，我們需要獲得一個電壓信號通過單片機內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換后描繪頻譜。因此需要一個RMS轉(zhuǎn)DC電路。方案一：通過AD637芯片直接將有效值轉(zhuǎn)化為直流。缺點：AD637帶寬不能滿足電路要求。方案二：TLC1968也是將有效值轉(zhuǎn)化為直流的芯片。優(yōu)點：帶寬滿足電路要求，集成度高，誤差小。缺點：暫無。方案三：二極管檢波電路綜合考慮，決定選用方案三。2系統(tǒng)理論分析與計算2.1VCO諧振回路LC的計算MAX2620需要外接RF諧振回路以構(gòu)成VCO電路,SHDN端用三針跳針分別接到Vcc和地，可用于控制電源的關(guān)斷，以在調(diào)試中方便的判斷諧振回路是否起振。變?nèi)莨芸赏ㄟ^C2接入諧振回路。C2值取為33pF。經(jīng)過C2后，諧振回路的等效Q將升高數(shù)倍。因此，即便采用廉價的Q和較低的變?nèi)莨?，也可設(shè)計出Q較高的諧振回路。諧振回路電感采用表面貼式諧振電感，該電感具有輻射干擾小、受分布電容影響小、調(diào)試方便等特點。電感值選為180nH，當諧振頻率范圍為80～88MHz時，其中心頻率為84MHz。由諧振公式可得出諧振回路的總電容Co=19.94Pf。由改進型電容三點式的構(gòu)建特點選取各個電容值，構(gòu)成LC諧振回路。經(jīng)過調(diào)試，VCO電路的具體元件參數(shù)如下：R2為20kΩ，諧振電感L1為180nH，C3為39pF，C4選18pF，C5選10pF，輸出端OUT上拉電感L4選180nH，輸出端上拉電阻R4可選50Ω。2.2MB1504前置分頻器理論分析MB1504是具有吞脈沖功能的串行輸入鎖相環(huán)頻率合成芯片，該芯片內(nèi)含一個14位可編程參考分頻器、一個分頻比可選擇(32或64)的雙模前置分頻器和一個18位的可變分頻器(由7位的吞脈沖計數(shù)器和11位的可編程計數(shù)器組成)，另外還包含一個鑒相器、一個電荷泵和兩個移位寄存器和鎖存器該芯片內(nèi)部采用吞脈沖計數(shù)技術(shù)和鑒頻鑒相技術(shù)，其工作頻率可達520MHz，因而速度快，性能穩(wěn)定，與單片機接口簡單，可用來實現(xiàn)對接收機本振信號進行方便地設(shè)置。Q值越大，其阻帶越窄，選頻特性越好，能更好地抑制嘯聲。fosc為外接晶體振蕩器輸人參考頻率;P為前置分頻器的分頻比(由位SW決定)，當SW為高時，P為32;當SW為低時，P為64;N為11位可編程計數(shù)器中的預(yù)置數(shù)(范圍從16～2047);A為7位吞脈沖計數(shù)器中的預(yù)置數(shù)(范圍從0～63);R為14位可編程參考分頻器中的預(yù)置數(shù)(范圍從8～16383)。本設(shè)計中，頻率合成器的頻率范圍fout為80～88MHz，頻率間隔△f為2kHz。參考振蕩器的振蕩頻率fosc為4.096MHz，參考頻率fr等于合成器頻率間隔△f(2kHz)，所以參考分頻比R為：R=fosc/fr=2048，中心頻率為84MHz的分頻比(PN+A=fout/△f)為42000。這里采用的前置分頻比模式為÷32/33，即P=32，并由此可得：N=1312，A=16。這樣，改變N和A，即可改變輸出頻率，而改變N、R，則可改變輸出頻率和頻率間隔。3電路與程序設(shè)計3.1各部分單元電路的設(shè)計（1）本振電路原理圖圖3-1本振電路（2）混頻電路圖3-2混頻電路（3）鑒頻電路圖3-3鑒頻電路3.2程序的設(shè)計3.2.1程序流程圖主程序流程圖圖3-4流程圖4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案1、硬件測試分模塊焊接和測試電路，測試時先要測試各個模塊電路的靜態(tài)工作電壓，以確定電路連接正確，防止芯片在電路連接不正確的條件下被燒壞，然后在確認每個模塊都可以按要求正常工作后，再逐級測試級聯(lián)，實現(xiàn)題目要求。2、硬件軟件聯(lián)調(diào)軟硬件連接起來以后，先不接入信號，測各點的靜態(tài)工作點，觀察所有的模塊電路是否正常工作，然后操作程序運行，按照系統(tǒng)信號的流向，測試各模塊輸出的波形是否和預(yù)期的一樣。4.2測試條件與儀器測試條件：檢查多次，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。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。4.3測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))1.壓控振蕩器的輸出測試U/V0123455.5f/MHz89.793.396.8100.3104.5107.71112.1504鑒相輸出數(shù)字頻率/MHz989796模擬頻率/MHz9696.598LPF/V4.984.503.鎖相環(huán)輸出測試（1）頻率范圍測試數(shù)字頻率/MHz909596.697.5100110輸出頻率/MHz90.019596.6197.5100110.03（2）手動掃描和自動掃描利用示波器作為檢測電路，設(shè)置掃描時間。自動掃描：觀察頻率及幅度變化，與題設(shè)要求比較。檢測結(jié)果：輸出頻率為80MHz~100MHz,輸出幅度為10~100mV。手動掃描：通過按鍵設(shè)置某一特定頻率，觀察幅度變化。檢測結(jié)果：可預(yù)置在某一特定頻率，實現(xiàn)題目要求。頻譜與頻率測試信號源頻率/MHz808284.58790.493.69697.8100實測頻率/MHz80.0482.0184.5387.0290.4193.6396.0397.81100.054.3.2測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，計算相應(yīng)參數(shù)，并和理論值進行比較。由此可以得出以下結(jié)論：1、基于鎖相環(huán)的本振電路能夠穩(wěn)定輸出90MHz~110MHz的信號；2、在整個范圍內(nèi)可自動和手動掃描頻率，還可預(yù)置某一特定頻率；3、可在80MHz~100MHz內(nèi)掃描并能顯示信號頻譜和對應(yīng)幅度最大的信號頻率；綜上所述，本設(shè)計達到設(shè)計要求。4.3.3實物演示及測試過程附錄1：電路原理圖目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第一章總論 1一、項目概況 1二、項目提出的理由與過程 6三、項目建設(shè)的必要性 8四、項目的可行性 12第二章市場預(yù)測 15一、市場分析 15二、市場預(yù)測 16三、產(chǎn)品市場競爭力分析 19第三章建設(shè)規(guī)模與產(chǎn)品方案 22一、建設(shè)規(guī)模 22二、產(chǎn)品方案 22三、質(zhì)量標準 22第四章項目建設(shè)地點 25一、項目建設(shè)地點選擇 25二、項目建設(shè)地條件 25第五章技術(shù)方案、設(shè)備方案和工程方案 28一、技術(shù)方案 28二、產(chǎn)品特點 30三、主要設(shè)備方案 32四、工程方案 32第六章原材料與原料供應(yīng) 35一、原料來源及運輸方式 35二、燃料供應(yīng)與運輸方式 35第七章總圖布置、運輸、總體布局與公用輔助工程 37一、總圖布置 37二、運輸 38三、總體布局 38四、公用輔助工程 39第八章節(jié)能、節(jié)水與安全措施 44一、主要依據(jù)及標準 44二、節(jié)能 44三、節(jié)水 45四、消防與安全 45第九章環(huán)境影響與評價 47一、法規(guī)依據(jù) 47二、項目建設(shè)對環(huán)境影響 48三、環(huán)境保護措施 48四、環(huán)境影響評價 49第十章項目組織管理與運行 50一、項目建設(shè)期管理 50二、項目運行期組織管理 52第十一章項目實施進度 55第十二章投資估算和資金籌措 56一、投資估算 56二、資金籌措 58第十三章財務(wù)評價與效益分析 61一、項目財務(wù)評價 61二、財務(wù)評價結(jié)論 65三、社會效益 68HY