2022全國電設(shè)E題報(bào)告-基于鎖相環(huán)的簡易頻譜儀

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80MHz～100MHz頻譜分析儀〔E題〕

【本科組】

摘要

本系統(tǒng)采納MSP430F5529為主控器件，采納鎖相環(huán)頻率合成芯片ADF4110、三階RC低通濾波器和壓控振蕩芯片MA*2606實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的本振源，產(chǎn)生本征頻率在90MHz～110MHz的恒定正弦信號；采納乘法器AD835實(shí)現(xiàn)對輸出信號幅度的調(diào)整；同樣采納AD835實(shí)現(xiàn)被測信號與本征信號的混頻，經(jīng)過低通濾波得到混頻后的低頻量由單片機(jī)上的ADC進(jìn)行采樣，能在80MHz～100MHz頻段內(nèi)掃描并顯示信號頻譜和主信號頻率，并且夠測量全頻段內(nèi)部分雜散頻率的個(gè)數(shù)。經(jīng)測試，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了題目要求的全部功能，且人機(jī)交互友好。

2022全國電設(shè)E題報(bào)告,電路圖、過程分析完整牢靠。

一、方案論證

〔一〕方案比較與選擇

1.基于鎖相環(huán)的本振源

方案一：采納MC145152+MC12022+MC1648L構(gòu)成的鎖相環(huán)電路

MC145152芯片是摩托羅拉公司生產(chǎn)的鎖相環(huán)頻率合成器專用芯片，需要協(xié)作前置分頻器MC12022和壓控振蕩器MC1648及環(huán)路濾波器共同組成穩(wěn)定的鎖相環(huán)頻率合成電路，最高可以達(dá)到225MHZ的輸出。

方案二：采納ADF4110+MA*2606構(gòu)成的鎖相環(huán)路。

ADF4110芯片是ADI公司生產(chǎn)的內(nèi)部集成了數(shù)字鑒頻鑒相器和編程預(yù)分頻器的PLL芯片，其最高工作頻率可達(dá)550MHz,集成度高，只需外接一個(gè)環(huán)路濾波器和VCO即可完成一個(gè)完整的鎖相環(huán)系統(tǒng)，VCO選擇MA*2606，輸出頻率為70-150MHz，滿意題目要求。方案選擇：方案一外圍電路更為繁復(fù)，增大了調(diào)試難度；方案二中電路集成度高，而且全部參數(shù)都通過三線接口實(shí)時(shí)配置調(diào)整，芯片體積，消耗功率都更小。綜合考慮，選擇方案二。2.混頻電路

方案一：三極管混頻電路。利用三極管的非線性特性，本征信號和被測信號通過三極管混頻電路產(chǎn)生不同組合的頻率份量，再通過LC中頻帶通濾波實(shí)現(xiàn)混頻

方案二：采納模擬乘法器AD835。其基本功能是實(shí)現(xiàn)W=*Y+Z，該乘法器芯片可以實(shí)現(xiàn)250MHz范圍內(nèi)信號的混頻。將本振信號和輸入信號相乘得到二者頻率的和差信號，達(dá)到混頻的效果

方案選擇：由于方案億中用到了分立元件三極管，電路中簡單產(chǎn)生非線性失真，同時(shí)，相對于數(shù)字電路來說，該電路性能也不是很穩(wěn)定。方案二外圍電路簡約，調(diào)試方便，而且電路性能要優(yōu)于采納三極管實(shí)現(xiàn)的混頻器電路，因此，采納方案二實(shí)現(xiàn)混頻。

〔二〕系統(tǒng)方案描述

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系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由基于鎖相環(huán)的本振源、混頻器、低通濾波器，頻譜測量幾部分組成。由PLL芯片ADF4110，VCO芯片MA*2606等組成的鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生本振信號，經(jīng)過乘法器實(shí)現(xiàn)幅度可調(diào)后輸出80~110Mhz,幅度在10~100mV的信號。在本振信號輸出后加一級10倍的固定增益放大電路，放大后的本振信號和信號源產(chǎn)生的被測信號經(jīng)過乘法器混頻后，再經(jīng)過低通濾波器濾除高頻份量，單片機(jī)AD采樣經(jīng)過LPF的信號后依據(jù)幅值大小將信號頻譜及中心頻率顯示在屏幕上。

圖1系統(tǒng)方案框圖

二、理論分析與計(jì)算

〔一〕系統(tǒng)原理

1.鎖相環(huán)頻率合成原理

鎖相環(huán)式數(shù)字頻率合成信號的原理如圖2框圖所示：

圖2鎖相環(huán)式數(shù)字頻率原理

設(shè)晶振輸出頻率為fr,要求的頻率辨別率為△f。由

frMfoN

fo=N

M

fr

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那么△f=fo(n+1)-fo(n)=

N1N1

fr-fr=fr

MMM

fminfofma*

NminNNma*

即通過單片機(jī)改寫寄存器的數(shù)據(jù)值，來轉(zhuǎn)變分頻系數(shù)即可得到不同的輸出頻率值。2.頻譜測量原理

設(shè)信號源輸出的待測信號為：

V1=Acos(w1t)

本振源產(chǎn)生的本征信號為：

V2=Kcos(w2t)

經(jīng)過乘法器后：

1

V3=Acos(w1t)*Kcos(w2t)=AK[cos(w1-w2)t+cos(w1+w2)t]

2

經(jīng)過LPF后，濾除了頻率為w1+w2的高頻份量，只得到w1-w2的低頻量：

V4=AKcos(w1-w2)t

當(dāng)w1=w2時(shí)，V4為直流量且幅度最大為測信號源電壓幅度為

1

AK，此時(shí)的頻率w2即為被測信號的頻率，待2

12

2V4

，因此為了能達(dá)到直流采樣的設(shè)計(jì)，我們將本振源的頻率輸出K

范圍做成80~110MHz，提高了題目的頻率要求。

(二)濾波器設(shè)計(jì)

1.鎖相環(huán)內(nèi)低通濾波器

由于ADF4110中已經(jīng)集成了大部分的模塊，因此只需要設(shè)計(jì)鑒相器與壓控振蕩器之間的環(huán)路濾波器和VCO就可以完成整個(gè)鎖相環(huán)電路的設(shè)計(jì)。環(huán)路濾波器采納三階無源低通濾波器。這樣的結(jié)構(gòu)可以提高環(huán)路濾波器的穩(wěn)定性，同時(shí)也可以濾除壓控振蕩器直流掌握電壓帶來的紋波噪聲，并且進(jìn)一步減削雜散。2R3C結(jié)構(gòu)的三階無源濾波器的傳遞函數(shù)通過傅里葉變換可以用以下公式來表示：

Z〔s〕=

sA0(1s

1sR1C2R1C2C1

A0

)(1sR2C3)

=

1sR1C2

s(A2S2A1SA0)

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上式中A0=C1+C2+C3，A1=C2C3R1+C1C2R1+C1C3R2+C2C2R2，A3=C1C2R1C3R2，s=jw。另外環(huán)路帶寬w和相位裕度φc(w)(單位為deg)之間有以下關(guān)系:

φc(w)=arctan(wR1C2)arctan(w

R2C2C1

)tan-1(wR2C3)+180A0

10

5

本設(shè)計(jì)中要求頻率間隔△f=100KHz，因此濾波器的環(huán)路帶寬為1～1的△f，這里取為10KHz，相位裕度為45deg。因此，經(jīng)過一系列推導(dǎo)可以得到該濾波器的元件C1，C2，C3，R1，R2的近似值分別為：C1=2.36nF，C2=32.1nF，C3=1.07nF，R1=1.39k，R2=2.84k。2.AD采樣前低通濾波器設(shè)計(jì)

由理論分析可知，經(jīng)過乘法器后輸出的信號為頻率為w1+w2的高頻信號和w1-w2的低頻信號，除了想要采樣的直流信號外，最小的信號頻率為100kHz。本設(shè)計(jì)中采納二階RC低通濾波器。選擇10kHz的截止頻率，取R1=R2=1KΩ，C1=C2，依據(jù)二階RC濾波器的傳遞函數(shù)計(jì)算得C1=C2=5.9nPF。在截止頻率外，高頻信號以—40dB/十倍頻下降，很快被抑制。

〔三〕本振源輸出幅度可調(diào)電路設(shè)計(jì)

題目要求本振源輸出電壓幅度在10~100mV內(nèi)可調(diào)，實(shí)際調(diào)測中徑直從壓控振蕩器輸出的信號在50mV左右，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)增益可調(diào)的放大電路。選擇乘法器AD835作為調(diào)整增益的器件，其250MHz帶寬完全滿意題目要求，將其*2,Y2,Z管腳接地后，乘法器輸出變?yōu)椋?/p>

W=*Y

通過掌握輸入乘法器的直流電平即可掌握電壓增益。

〔四〕觀測鎖定過程的電路設(shè)計(jì)

觀測鎖定過程有以下2種電路：

1.檢測鑒相器輸出：鑒相器通過比較兩信號相位通過內(nèi)部電荷泵輸出掌握電流，經(jīng)過環(huán)路濾波器轉(zhuǎn)化為電壓掌握壓控振蕩器。觀測鎖定過程時(shí)可檢測環(huán)路濾波器輸出電壓，電壓改變說明PLL處于失鎖狀態(tài)，電壓固定說明PLL處于鎖定狀態(tài)。

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2.ADF4110的MU*OUT管腳具有鎖相觀測功能，當(dāng)該管腳的模式切為數(shù)字鎖定時(shí)，在失鎖時(shí)，MU*OUT輸出低電平，而環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，管腳輸出高電平。因此我們在MU*OUT輸出端接一發(fā)光二極管，當(dāng)失鎖→鎖定過程中，二極管不亮，環(huán)路鎖定后，二極管發(fā)光。

三、電路與程序設(shè)計(jì)

〔一〕電路設(shè)計(jì)

1.基于鎖相環(huán)的本振源電路設(shè)計(jì)

依據(jù)題目我們選擇內(nèi)部集成了數(shù)字鑒頻鑒相器和編程預(yù)分頻器的PLL芯片ADF4110，只需外接VCO和環(huán)路濾波器即可完成一個(gè)穩(wěn)定的鎖相環(huán)電路。外部VCO采納MA*2606，環(huán)路濾波器采納上述計(jì)算的三階無源RC濾波器。依據(jù)各自數(shù)據(jù)手冊推舉的典型電路，設(shè)計(jì)了如下的圖4電路：

圖3鎖相環(huán)頻率合成電路電路圖

2.混頻及采樣電路設(shè)計(jì)

本振源輸出的信號幅度只有100mV,兩路信號混頻后幅度會(huì)進(jìn)一步減小.為了提高采樣的精度，本振源輸出后運(yùn)用集成運(yùn)放AD8009實(shí)現(xiàn)了10倍的固定增益放大。同時(shí)為了提高采樣的穩(wěn)定，在濾波器輸出后加了一級由放大器OP07構(gòu)成的電壓跟隨器。

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圖4混頻及采樣電路

(二)程序設(shè)計(jì)

圖5軟件部分程序框圖

四、測試方案與測試結(jié)果

(一)基本要求

1.本振源的頻率范圍及步進(jìn)測試

通過單片機(jī)轉(zhuǎn)變鎖相環(huán)內(nèi)分頻系數(shù)，用示波器觀測本振源輸出信號頻率的最大頻率和最小頻率。然后掌握輸出頻率從90MHz每次步進(jìn)100KHz至110MHz，觀測示波器輸出波形頻率是否滿意頻率要求。部分測量結(jié)果如下表測試：

設(shè)置頻率/MHz

80

輸出頻率/MHz

80.000設(shè)置頻率/MHz

90.1輸出頻率/MHz

90.101

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8592100102105113最大頻率

85.00092.000100.00102.00105.00113.00113MHz

90.290.3100.1100.2109.8109.9最小頻率

90.20090.300100.10100.20109.80109.9080MHz

表一本振源的頻率范圍及步進(jìn)測試

結(jié)果分析：本振信號頻率范圍可達(dá)到90MHz-110MHz，步進(jìn)精度滿意100KHz的要求。2.輸出電壓幅度測試

調(diào)整AD835掌握電壓值，觀測90至110MHz整個(gè)頻段內(nèi)各頻點(diǎn)的電壓幅度范圍。測量結(jié)果：90至110MHz頻段內(nèi)的輸出電壓幅度最大值可到120mV，最小值可到9mV，且波形良好滿意題目10-100mV的幅度可調(diào)要求。當(dāng)輸出為100MHz，110mV時(shí)的信號示波器顯示如下列圖所示：

圖6示波器顯示輸出為100MHz，110mV的信號

3.掃描顯示測試：

程序內(nèi)部轉(zhuǎn)變掃描時(shí)間、掃描模式以及掃描初始頻率，觀測示波器顯示的掃頻狀況。測量結(jié)果：掃描時(shí)間可在1至5s內(nèi)設(shè)置，且掃描時(shí)間精確。手動(dòng)自動(dòng)模式可通過按鍵切換，掃描初始頻率可在90MHz至110MHz內(nèi)任意設(shè)置。

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4.鎖定時(shí)間的測定：

利用單片機(jī)掌握選擇掃頻功能，那么系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入不斷的失鎖和鎖定狀態(tài)。當(dāng)失鎖時(shí)，mu*out端口輸出低電平；當(dāng)鎖定時(shí)，mu*out端口輸出高電平。用示波器觀測mu*out端口，可觀測到很多負(fù)脈沖，多次測量其寬度對應(yīng)的時(shí)間求平均值，即可得到鎖定時(shí)間。經(jīng)20次測量計(jì)算，鎖定時(shí)間平均值為93μs。

(二)發(fā)揮部分頻譜分析儀相關(guān)測試

1.測量范圍：

經(jīng)過實(shí)際測量，可以利用基礎(chǔ)部分的鎖相環(huán)本振源完成簡約的頻譜分析功能頻率測量范圍可達(dá)到86至100MHz.實(shí)際測量顯示頻譜如下列圖所示：

圖7實(shí)際測量顯示的頻譜圖

2.辨別率：

利用濾波器后預(yù)留的測試端子測試。用信號源給定信號頻率，利用單片機(jī)轉(zhuǎn)變PLL輸出頻率，使其與信號源相同，可觀測到測試端子信號最大，轉(zhuǎn)變頻率均可觀測到明顯減?。恍盘栐崔D(zhuǎn)變100KHz，同時(shí)掌握單片機(jī)相同轉(zhuǎn)變100KHz，可觀測到與上述相同的現(xiàn)象，即辨別率能達(dá)到題目100KHz的要求。3.頻譜圖：

單片機(jī)掌握屏幕能顯示測量單個(gè)信號時(shí)的頻譜圖像，以及顯示此時(shí)測量的信號頻率。基本完成了發(fā)揮部分的各個(gè)要求。

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附錄：

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80MHz～100MHz頻譜分析儀〔E