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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
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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1MHZ—40MHZ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 signal 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 signals 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.
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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 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 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
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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0～300ＭＨｚ，精度可达0.04Ｈｚ，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，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
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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
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)= 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(￡)sin[t+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)
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I路分量和Q路分量。
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