代码收藏家 2017年国赛H题_远程幅频特性测试装置硬件部分训练总结
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前言
本文章是在训练2017年电赛H题的总结，主要涉及方案的选择，电路设计两方面。
一、题目
1.基本要求
（1）制作一信号源。输出频率范围：1MHz – 40MHz；步进：1MHz，且具有自动扫描功能；负载电阻为600Ω时，输出电压峰峰值在 5mV – 100mV 之间可调。
（2）制作一放大器。要求输入阻抗：600Ω；带宽：1MHz – 40MHz；增益：40dB，要求在0 – 40 dB连续可调；负载电阻为600Ω时，输出电压峰峰值为1V，且波形无明显失真。
（3）制作一用示波器显示的幅频特性测试装置，该幅频特性定义为信号的幅度随频率变化的规律。在此基础上，如图1所示，利用导线将信号源、放大器、幅频特性测试装置等三部分联接起来，由幅频特性测试装置完成放大器输出信号的幅频特性测试，并在示波器上显示放大器输出信号的幅频特性。
图1 远程幅频特性测试装置框图（基本部分）
2.发挥部分
（1）在电源电压为+5V时，要求放大器在负载电阻为600Ω时，输出电压有效值为 1V，且波形无明显失真。
（2）如图2所示，将信号源的频率信息、放大器的输出信号利用一条1.5m长的双绞线（一根为信号传输线，一根为地线）与幅频特性测试装置联接起来，由幅频特性测试装置完成放大器输出信号的幅频特性测试，并在示波器上显示放大器输出信号的幅频特性。
图2 有线信道幅频特性测试装置框图（发挥部分（2））
（3）如图3所示，使用WiFi路由器自主搭建局域网，将信号源的频率信息、放大器的输出信号信息与笔记本电脑联接起来，由笔记本电脑完成放大器输出信号的幅频特性测试，并以曲线方式显示放大器输出信号的幅频特性。
图3 WiFi 信道幅频特性测试装置框图（发挥部分（3））
（4）其他。
二、电路设计
1.信号源部分
信号源采用集成DDS芯片AD9959制作实现，它是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，最高工作时钟为500MHz，可以输出200MHz的正弦信号，精度可达0.1Hz，并且通过频率控制字和幅度控制字可以很方便改变输出信号频率和幅度，输出信号经过椭圆滤波得到平滑的波形，具有杂散低、响应快的特点。
AD9959部分参数：
模块供电：DC 5V
通讯协议：SPI串行
DAC分辨率：10位
输出幅度：正弦波530mVpp(MAX)
输出阻抗：50欧姆
题目要求输出幅度在5mVpp到100mVpp可调。可通过两种方法实现：
第一种是软件控制AD9959输出固定幅度的正弦波，通过硬件不同程度的衰减达到题目要求。
第二种是软件输出不同幅度的正弦波。硬件通过固定衰减达到要求。由于是小信号，所以先输出一个较大的幅度然后衰减去达到一个高的信噪比。让波形更理想。
信号源框图
本次使用的衰减网络用的是工业产品。这方面需要介绍的东西不多，接上一连就可以了。
接下来就是LC滤波及四倍增益和带载集一块的电路了。实现的方式很简单，LC加同向比例放大电路即可实现。
一开始是准备做高阶LC滤波的，使用仿真去调试参数，然后再手动制板，但是做了好几板。效果都不理想。中期答辩的时候请教了一下老师，老师的解释是：高频滤波一般使用RC滤波很难实现（R和C的取值都会很小），所以需要使用到LC滤波。而LC滤波对阻抗匹配要求很高。做高阶的LC难度更高。所以建议尽量做简单一点，能达到一定的效果就好了。又由于时间关系，就没有继续做高阶的LC滤波电路。最终呈现出来了这样的一个能达到要求的电路。
OPA695 LC滤波电路图
LC滤波及四倍放大实际电路
在此次训练过程中有三个地方都使用到了这块OPA695的电路板,得益于一开始开板时对于电路的结构没有完全固定，预留了很多的电阻位置，这样做也有利于电路板功能的扩展。（顶层丝印多敲了O，检查了个寂寞）
注意：
高频信号的传输往往会使用到电缆线，可以更好的保护信号传输过程中不受噪声干扰。在高频信号中对于阻抗匹配有着很高的要求。所以在使用芯片设计相应的电路过程中参考芯片手册给出的参考电路有着很重要的意义。
去测量高频信号也是需要使用电缆线的，用电缆线直接连接测试点和示波器输入的接口，然后使用50欧姆档去测量，测量显示的幅度是实际幅度的二分之一，所以想知道实际的值用示波器显示的值double就行了。
2.放大器部分
放大器部分一开始准备使用三级放大，第一级使用OPA695放大10dB,第二级使用VCA824实现-20dB到20dB调节，第三级同样使用OPA695放大10dB,通过三级级联实现0dB到40dB的可调节放大。实际做出来的效果也确实达到了预期的效果。但是在联调过程中发现如果只放大100倍，采集部分可利用的部分有限。所以增加了一级VCA821去增加放大倍数。使放大的最大可以达到200倍。
OPA695同向比例放大电路图
OPA695PCB图
第一级使用OPA695是为了实现题目输入阻抗600欧姆的要求。
OPA695电路实物图
第二级使用VCA821程控增益放大器模块实现1倍/2倍两种放大模式。在单频信号时放大一倍。扫频信号时放大2倍。
VCA821模块图
第三级使用VCA824实现-20dB到20dB调节
VCA824PCB图
VCA824电路实物图
第四级使用OPA695是为了实现题目驱动负载600欧姆的要求。
多级放大会增加系统的复杂性，但是却可以使整个放大器的频带变宽。
放大部分除了使用多级放大，也可以使用AD8367模块两级级联实现。AD8367使用可以看看博客遗忘、的文章传送门—>https://blog.csdn.net/h568630659/article/details/116002233https://blog.csdn.net/h568630659/article/details/116002233
3.接受采集部分
测量信号幅度的方法：
1 高速采样，以远高于信号频率的采样率进行采样，取最大值。（对ADC要求高）
2 低速采样，以非整数倍采样率，随机乱采，形成等效采样。（进度无法保障）
3 检波电路+低速采样，提取信号幅度的直流信号，再进行采样。（复杂度与精度的平衡 ）
实际采用的是第三种方法：
检波电路有很多的模块可以使用，但是常用的模块带宽往往不够（AD637）。所以使用的是乘法器器同步检波＋低通滤波+ADC采样
1、AD835乘法器模块使用：
基本函数：W = XY+Z
Acos(wt)*Acos(wt) = 1/2*A2*（cos(0)+cos(2wt)）= 1/2*A2+1/2*A2*cos(2wt)
通过表达式可知：
1，输入项不能存在直流分量，所以需要在输入前做隔直处理。
2，检测出来的直流量与幅度信息并不是线性关系。所以需要数据拟合，单片机需要通过采样的电压计算出实际幅度。
3，由于输入的频率最低为1MHZ，所以低通滤波的截止频率能把2MHZ的波滤掉即可。
2、有源低通滤波
OP07低通滤波电路图
OP07电路实物图
3，数据拟合
4.整体系统调试
系统整体框图
电路联合调试中
web显示幅频特性曲线
示波器显示幅频特性曲线
三、总结
通过测试整体系统能正常工作，切能到达大部份的指标要求。但是还是有一部分没有做好。
1，单电源问题没有解决，由于在中期答辩老师认为单电源是正真的单电源，而不是通过电源变换去获得双电源再实现功能。然后电路已经基本成型，所以就没有在去实现单电源问题。真正的单电源也是可以实现的，列如AD8367模块就是单电源供电，可实现放大器部分指标，检波部分也有能单电源工作的对数检波模块
2，放大器部分没有做的很好，VCA824只是做到了能用，但是没有完全用好，没有深入研究，列如带宽还能做的更宽。（后面会针对VCA824的芯片手册做一个详细的使用说明文章）
3，电路虽然不是很复杂，但是还是有很多坑没讲到。（有问题可评论区讨论）
最后最后，在很久之前就想着要写博客，一直没有契机。所以到现在才发出来这第一篇博客。写的也可能不是很好。望大家多多包涵，多多关住后面的文章。
会继续努力的。
