2017全国大学生电子设计竞赛H题(2)

二.理论分析与计算 1.信号源模块

AD9959具有四个DDS内核，每个内核由32位相位累加器和相位到幅度转换器组成。当相位累加器被计时并且相位增量值（频率调谐字）大于0时，这些数字模块一起产生数字正弦波。相位到幅度转换器同时将相位信息转换为幅度信息cos（θ ）操作。每个DDS通道的输出频率（Fout）是每个相位累加器的翻转速率的函数。确切的关系如下式所示：

(FTW)(fs)fout? （1） 322其中：fS是系统时钟速率。 FTW是频率调谐字，为0≤FTW≤231。232表示相位累加器容量。 因为所有四个通道共享一个共同的系统时钟，它们是固有地同步的。 DDS核心架构还支持相位偏移由信道相位偏移字（CPOW）执行的输出信号的能力。 CPOW是存储相位偏移值的14位寄存器。 该值被添加到相位累加器的输出以偏移输出信号的当前相位。 每个通道都有自己的相位偏移字寄存器。 该特征可用于将所有信道相对于彼此放置在已知的相位关系中。 相位偏移的确

切值由下式给出

POW??（14）*2? （2）

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2.放大器模块

设放大器模块采用放大器AD8367制作。AD8367是一款具有线性增益控制的放大器，其最大增益可达45dB，带宽范围达上百兆赫兹.其内部由42.5dB固定增益模块和9级梯形电阻网络构成，每级电阻网络的衰减为5dB。通过级联两块AD8367，通过控制增益电压来调整衰减网络，达到0-40dB可调。AD8367是一款高性能的45 dB可变增益放大器，具有线性dB增益控制功能。使用AD8367搭建VGA模块作为放大器的时候，增益通过控制5脚的电压值实现线性增益变化。5脚上电压值从50mV到950mV对应VGA模块的-2.5至42.5dB增益。因此，放大器模块采用电阻串联电位器分压给5脚输入电压，取电阻值3K9，电位器阻值1K。增益电压的可输入范围为50-950mv，总增益理论值可达85dbB，实际空载测试达到52dB.

3.幅值测量模块

幅值测量模块采用对数放大器AD8310制作。AD公司生产的AD8310是一种高速电压输出型对数放大器，输出频率范围为DC～440MHz。是一款基于渐进压缩(逐次压缩)技术的400 MHz完整单芯片解调对数放大器，在频率最高为100 MHz时可提供95 dB(±3 dB法则一致性)和90 dB(±1 dB紧误差界限)的动态范围。该器件极其稳定且易于使用，基本不需要外部元件，AD8310是要求较高的精密中频信号测量应用的理想选择。按照数据手册的基本连接，其输出幅度可由下图读出。

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图2 AD8310输入输出特性

经测试能够定量的较为准确的绘出幅频特性图。

4.低通滤波器模块

本系统采用七阶阶低通滤波器来滤除由级联ad8367产生的放大噪声，滤波器的通带频为40MHz，为追求带内平坦度，我们选择巴特沃兹型。原件参数由filter solution仿真得出，经测试频率40MHz时刚好为-3dB点。

5.π型衰减网络

由于AD9959在输出小信号时会损失精度，降低信噪比，故所以将输出信号经过衰减网络，以达到输出小信号的目的。经过实际测量调试，确定衰减网络的衰减幅度为-31db，能满足题目要求。衰减网络的参数由式（1）计算

1?ARIN?R31?A1?AR2?ROUT?R3 （3）

1?A2ARINROUTR3?1?1R1?其中Rin.Rout分别为输入输出阻抗，R1,R2,R3为构成网络的三个电阻。电路见附录。

程序理论计算

AD9959是一款多通道芯片。当其正常工作时，其输出电压freq与输入寄存器数据in满足freq=in*FRE_REF,FRE_REF=8.5904963602764。

三．电路与程序设计

1.电路设计

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1）dds电路

参考数据手册搭建基本的DDS信号源，外接AD8055，AD8056运放对波形整型.AD9959由四个直接数字频率合成器（DDS）内核构成，每个通道均可提供独立的频率、相位和幅度控制。这种灵活性可用于校正信号之间由滤波、放大等模拟处理或PCB布局失配而引起的不平衡问题。由于所有通道共享一个公共系统时钟，因此它们具有固有的同步性，支持多个设备的同步。电路图见图6

2）pi型衰减网络

为了实现小信号时的高信噪比，采用DDS输出大信号再经过衰减网络得到所需求的小信号。同时该衰减网络也能增大电路前后两级的隔离度，增强电路的稳定性。电路图见附录图7.

3）放大器电路

为了实现1-40dB动态可调，使用AD8367搭建两个VGA电路级联，每一级分担20dB增益，保证增益有充分的裕量。输出接入低通滤波器模块消除噪声。能较好的实现小信号放大，波形无明显失真。电路图见附录图8

4）峰值检波电路

AD8310连接简单，反应灵敏，能够直接实现对扫频波的峰值检测。电路图见附录图9

2.程序设计

本系统主控芯片采用STM32F407，通过IIC总线完成和ZLG7290键盘芯片的通信，利用SPI串行总线完成和AD9959的通信。单片机通过读取键盘键值执行不同的功能，通过控制AD9959制成1M~40M频率可变，幅度可调的DDS。单片机通过控制DAC生成周期和扫频时间相同的锯齿波，结合检波后信号绘成幅频特性曲线。单片机通过串口半双工通信和另一单片机可实现双绞线通信，将幅度和频率信息传至另一幅频特性测试装置。软件整体框图见附录图1。

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开始 开始 写入控制字 是否有外部中断请求 使能通道和频率幅值等相应寄存器 否 是 通过IIC总线读取ZLG7290键值寄存器 输出信号

图3 单片机控制AD9959 图4 单片机控制周立功键盘

四．测试方案与测试结果

使用仪器： DG4162 信号源/频率计 1台 MSO4054示波器 1台 DSA875 频谱仪 1台

测试项目：

详细测试方案请见附录。测试结果如下

基本要求测试结果

信号源 测量项目 1.1 频率范围 题目指标 1MHz~40MHz 完成情况 1MHz~40MHz 1MHz步进可调 1MHz 是否 达标 是 测试方案简述 与测量仪器 点频输出测量 MSO4050示波器频率计 点频输出测量 MSO4050示波器频率计 MSO4050示波器频率计 MSO4050示波器频率计 10

1.2频率步进 1MHz 是 1.3输出电压峰峰值 1.4a自动/手动扫描 5~100mv 可自动/手动扫描 5mV~100mV 1mV步进 可以 是 是

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