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信号频率特征检测仪

发布时间:2019-09-14 12:54

  摘要:从“十一五”提出加速发展铁路和城市交通规划至今,中国逐步跨入“高铁时代”,高铁的出现加快了铁路客运和货运的流动速度,提高了铁路运输的总体效率,为我国的经济发展和社会进步贡献了新的力量。但高速铁路列车运行速度的逐步提升以及列车运行密度的不断增加,也给铁路部门对列车的控制和调度提出了更高的要求。轨道电路是铁路运输系统十分重要的组成部分,肩负着对列车运行控制和信息传递的重任,而在轨道电路中,轨道移频信号是铁路电务与机车交流的“语言”,通过轨道移频信号不仅可以判断出列车的位置,也可以检测出列车的运行速度,向列车传递控制信息。因此,研发一款满足目前高速铁路移频信号检测要求的便携式轨道移频信号检测仪,能够快速、准确、便捷的检测出轨道移频信号的特征参数,及时发现移频设备故障,对维护移频设备稳定工作,保证列车安全运行,具有重要的现实意义。

  第一章 绪 论

  1.1 论文研究的背景以及研究现状

  关于电路测试,电子通信技术人员关注对通信产生重大影响的因素,例如配置信息,频谱条件,信号失真和噪声条件。要理解为什么上述情况会发生,它是如何发生的,以及如何监测它,有必要进行信号检测。例如,在谐波发生了谐波失真,,进行频谱分析的观察与检测,查看有无倍频干扰,便可以分析产生噪声的频带,然后设置滤波器以消除这些频率段的噪声。 因此频率分析便更加清楚。为防止信号传输对频率之间干扰的影响,可以测试频谱占用以了解与得知情况。

  有许多方法可以测量信号。我们可以使用示波器来监控频率,波长和信号幅度。示波器曲线是电压变化的幅值,水平和垂直轴可以显示电压变化。通过示波器,我们可以了解其功率幅度的变化,以及对信号频谱的理解和分析。但是一些复杂变化的信息示波器便无能为力了。

  现在与以往的扫频仪在工作原理上相比,主要采用滤波后AD的采样和检测,并通过DPS方法进行滤波。在正常情况下,信号频率计可以进行调制信号,进行矢量分析并测量信号。我们还可以借助使用跟踪源,筑波桥等辅助测量设备测试传输线,场强和元件传输特性。

  频率扫描器可分为台式频谱分析仪,手持频谱分析仪,PXI频谱分析仪和LXI频谱分析仪,是频谱分析仪的主流。

  对于信号频率特征仪的最新发展,其具有优于扫描频谱分析仪的明显优势:它具有更多的触发模式,因此可以测试频率变化更快的系统。其硬件结构与现代频谱分析仪类似,因此具有较高的数据处理速度和较高的带宽。

  1.2 论文研究的目的及意义

  我们可以通过信号频率特征的分析来发现许多有用的信息,但是对于高频的信号频谱分析常用的频率特征检测分析方法便不适用了。为了完善解决这类问题,便可以使用外差原理。基于本课题研究的信号频率特征仪设计,可以进行识别振幅信号和调制频率,也可以确定函数的中心频率,其在通信系统领域有着较好的应用前景。

  通常情况下,我们平时所采用的都是只适用于低频段的仪器,其一般以DSP为控制核心的算法进行信号采集,将模拟信号数字化,通过AD采集信号,再进行傅里叶变换,最后分析来实现频谱分析功能。因为傅里叶计算方法太过繁琐,所以大多简单的信号频率特征仪精度都不会太高。所以本设计有着几大优势。一,本设计同时适用于低频信号和高频信号;二,本设计有着较高的精度和处理速度;三,本设计比较易于操作,可通过按键直接设置所需的带宽,频率以及其他各项需求。

  1.3 论文内容和章节安排

  本论文设计了一种基于外差原理采用被测信号与本征频率实现的信号频率特征检测仪。

  本文一共有六章,具体内容如下:

  第一章 绪论 介绍了该课题的研究背景和意义。介绍了信号频率特征检测仪的作用,发展情况及论文的安排。

  第二章 总体设计 介绍了信号频率特征检测仪的总体设计。首先介绍了本文总体设计与基本原理。然后介绍了本设计的系统组成以及混频模块,滤波模块,检波模块及扫频模块的设计

  第三章 硬件设计 介绍了硬件总体设计,主要控制模块设计,混频模块,滤波模块,检波模块及扫频模块的硬件设计以及电源转换电路的设计。

  第四章 软件设计 介绍了软件的总体设计,处理函数设计以及接受键信息中断服务流程设计。

  第五章 测试仪结果 完成了正交扫频信号的测试与增益控制电路的测试。

  第六章 总结与展望 这一章的内容是对本文所研究的总结,以及对未来的应用来做一些展望。

  第二章 总体设计

  本设计为一个精度高并且可适用于高频的频率特征仪。主题设计是使用单片机控制各项模块,并可以通过示波器观察到信号频谱,同时能设置按键使液晶屏显示实时带宽、运行状态以及中心频率等。本设计包含混频模块、扫频模块、滤波、检波以及控制模块,连接与调试各模块,可设计出本设计的组成框图如图2-1所示。

  2.1 基本原理

  本设计采用DDS原理,使用最小步进100kHz,输出范围1MHz~30MHz的扫频信号,FPGA控制输出,再使用增益控制电路来使幅值进行稳定输出。混合网络输出信号与振幅稳定的扫频信号,混合423kHz的信号放大滤波电路频率,收集标本。把采样数据先送入FPGA中的RAM,同时与单片机处理的X轴正斜率电压输入示波器,显示出频谱。再设置带宽,中心频率,频谱运行状态以及键盘和LCD液晶屏,最后完成测试。

  2.1.1 FPGA原理

  在本系统中,FPGA主要用于生成正交扫描信号以及存储和输出数字信号。 FPGA,也称为现场可编程门阵列,是基于可编程器件,如PAL,GAL和CPLD定制集成电路(ASIC)领域的半自动电路。 其不仅解决了专用电路短缺的问题,而且还解决了器件原始可编程门的一些缺点。FPGA与CPLD的差别不同是工作原理和结构特征。

  2.1.2 DDS原理

  DDS是一种新的频率编译方法。它最初是由Joseph Tierney和其他人提出的。它具有高输出分辨率特性,低功耗,快速切换速度和频率切换相位连续的特点。为此,理解DDS模块在数字信号处理和硬件实现中起着重要作用。

  DDS结构主要由四个大型结构组成,例如相位累加器,波形存储器,数模转换器(D / A)和低通滤波器。

  它的相位编译器由一个N位加法器和一个N位累加器组成,这是DDS模块的一个非常重要的部分。根据时钟频率基准,单元DDS开始工作;使用各基准时钟时,积聚在FW控制字和出口登记频率的复数值,然后将添加到注册表,并反馈由先前参考时钟统一记录产生的数据的积累。这样,在时钟的影响下,频率控制字可以连续累加。此时,通过查看对应于该地址的幅值表,将来自相位累加器的数据的输出用作波形存储器中的地址,就可以完成从相位到幅值的转换。

  2.2 系统组成

  本设计的核心电路控制设计为 MSP430F169 主控芯片、存储及数据转换单元、显示模块等,其显示模块可显示本设计的中心频率,也可显示出本设计的运行状态,以便于更好的校验电路的操作状态。这些设计作为控制模块,可使硬件电路进行进行有效工作。

  2.2.1 控制单元

  单片机是在单个集成电路芯片上进行微型计算机集成的,其组件为I/O 接口电路, CPU,定时器,内存以及其他计算机组件。单片机在人类生活和工作的各个领域广泛应用。 其更小,更灵活的计算机的特征使其拥有了相对低的成本和相对容易的转换。在控制方面,其可以解决从简单到复杂的控制任务,其也可以方便地用于多机的分布式控制和分布式控制。

  单片机的发展趋势为:结构更加完整;功能更加强大;使用更加方便;低电压;更低功损耗以及更低廉的价格。本设计采用64位封装的MSP430F169芯片。 它是TI开发的更低功耗的信号控制器。 它可以在低电压和低功耗下运行,具有非常优秀的处理信号能力和良好的片内外设。MSP430F169的内部组件包括:

  1、带2个晶体振荡器和1个数字控制振荡器(DCO)的时钟单元;

  2、可作为通用定时器,IAEA定时器;

  3、带有三个捕捉/比较寄存器,16 位的定时器 Timer-A;

  4、带有七个捕捉/比较寄存器,16 位的定时器 Timer-B;

  5、2 个拥有中断能力的 8 位的并行端口:P1 和 P2;

  6、4 个 8 位的并行端口:P3、P4、P5 和 P6;

  7、COMPARATOR_A模拟比较器;

  8、12 位 A/D 转换器;

  9、2 通道的串行通信接口(用软件选择 UART/SPI 模式);

  10、1 个硬件乘法器;

  11、60KB+256 字节的 FLASH 和 2KB 的 RAM。

  MSP430F169 单片机的主要特性如下:

  1、低电压电压范围:1.8~3.6V;

  2、超低功耗;

  3、五的省电模式:lpm0 ~ LPM4,其中 LPM4 最低耗电,只有 0.1uA;

  4、等待方式进行唤醒,时间是小于 6us 的;

  5、16 位的 RISC 结构和 125ns 的指令周期;

  6、时钟模块的配置:高速和高速晶体,数字振荡器 DCO;

  7、内部温度传感器;

  8、两通道的串行通信接口,可以用于异步或者是同步模式;

  9、6 个 8 位的并行接口,且 2 个 8 位端口是有中断能力的;

  10、硬件乘法器;

  11、多大 60KB Flash 和 2KB RAM;

  12、串行在系统编程。

  MSP430F169 单片机具有以下硬件结构特点:

  低功耗。在RAM下,其电流仅为0.1uA,其等待方式电流也仅为0.8uA;它的活动状态电流也仅为250uA/MIPS;

  模拟组件:12位A/D;

  RISC 中央处理器为16位,指令周期为125ns,其可以实现高性能应用的同时用来减少代码空间;

  MSP430F169包含丰富的芯片,可降低节点的功耗和尺寸。由于芯片的丰富性,整个电路变得非常简单。对于功耗,时钟频率等,RAM满足本设计的要求。在省电模式下,RAM仅消耗0.1mA,而在待机模式下也仅为0.7mA。本设计需要双定时器中断,串行通信接口,A / D转换和防止无线系统中断的监控设备。它们集成在芯片的内部组件中,大大简化了电路并降低了成本。此外,MSP430F169包含许多时钟源,可以单独进行工作和关闭,为设备定期唤醒提供了极大的便利。

  2.2.2 存储及数据转换单元

  本设计使用MSP430F169单片机中的A / D模块收集检测检波器模块输出的数据并将其保存在FPGA 的RAM中。 接下来,给示波器发送到X轴正斜率电压,由单片机处理以显示频谱。 在将一些实际量传感器转换为代表性信号检测之后,在处理和控制它们时必须将它们转换成数字信号,以实现模数转换器的模数转换。

  单片机的模块的主要功能是:

  1、采样率更高,可达到200kbit / s;

  2、CPU的内部具备温度传感器。

  3、内置采样保持电路。

  4、有内置时钟,还可以选择外接时钟。

  5、带有两个硬件触发器;

  6、有16条记录存储转换结果寄存器;

  7、配备8个外部通道和4个内部通道;

  8、A/D 转换分为 4 种模式;

  9、功耗可以通过ADC12核心关机功能保存在系统中。

  在获取检波器收集的模拟信号并进行转换后,将其存储在FPGA的RAM中,然后由单片机处理数据。

  2.2.3 显示模块

  要显示所设置的中心频率,运行状态带宽等,需要操作和维护部分显示器。通常不同类型的液晶根据点矩阵的实际特征线或液晶宽度来命名。这种类型的液晶具有缺点,即应用范围相对较小,设计上应更加全面。本设计采用LCD12864作为液晶屏。LCD12864共用串行接口与并行接口,使用者可以选择其中一种工作模式。

  液晶型号LCD12864F可显示字符汉字和图形,其拥有128个集成字符(8*16 点阵),和8192个汉字(16*16 点阵)和RAM 64 * 256点阵,电压电源为3.3?5V ,内置脉冲电路不需要负电压。显示内容为128列* 64行。屏幕颜色为黄色和绿色。 LCD类型是STN。它可以通过8位并行接口或3位串行接口连接到MCU。框架尺寸为93 mm * 70 mm * 12.5 mm,视线为73 mm * 39 mm。点之间的距离为0.52 mm * 0.52 mm,点的尺寸为0.48 mm * 0.48 mm。12864F的逻辑运算为4.5~5.5V。如果模块背面R4电阻的电阻为0,则该模块可以直接与3V单片机连接。可以通过更改模块背面的R1电阻值来调整屏幕对比度。

  2.3 混频模块

  混频模块的原理是在时间域中乘以输入信号。关键绩效指标:

  1.损益转换;

  2.噪声系数:因为它仍然在系统的前端,NF对系统噪声有较大的影响。适用于适配器:

  (1)单边带噪声系数

  (2)双边带噪声系数

  在正常情况下,双边带的噪声系数小于单边带的噪声。

  3、线性度:线性度是系统中一个重要的指标;

  本设计中,用乘法器形成混频器电路。AD835为乘数,振动信号和输入信号乘以两个频率和差分信号,以实现混合效应。与最常见的mc1569相比,两输入信号可以具有±1V的电容,并且可以有效抑制噪声。但mc1569的最大信号振幅有两个输入端,分别为15MV和100MV,信噪比较低。 AD835具有更大的动态范围和更灵活的制作方式,更适合本设计主题。

  2.4 滤波模块

  要输出混频器以获得非中频信号,需在后面添加窄带滤波器。混频器输入频带很大,滤波器功能是将测试中的信号频率改变为中频,基于中频变换,得到幅度。再对转换到中频的所有信号进行分析以获得频谱。

  中频输入信号的功率和幅度值是线性的。如果输入信号增加,它也会增加。所以我们有设计的检测中频信号的解决方案可行。设计中还应存在中频信号的放大过程。许多混频器不会输出具有丰富兼的谐波分量信号,只对一个中频感兴趣。该滤波器以中间的带通滤波频率为中心,从其他滤波信号提取中频信号。使用滤波器时,我们关注几个因素:中心频率和带宽。

  该系统的核心为OPA228作为源带通滤波器。其功能是仅允许信号通过并抑制流量范围。

  2.5 检波模块

  有效值检波电路可以测量滤波器输出信号的有效值,这样可以更容易地获得A / D并存储RMS值供以后参考。使用二极管和电容器创建简单的测试电路。该方法涉及输入信号幅度较大,输入电压的峰值与输出电压成线性关系。但是,如果输入信号幅度很小,则测量数据不准确。

  通过集成的RMS转换芯片TLC1968设计,其具有高频响应的高分辨率RMS适配器可满足该系统的要求。对于具有简单误差和大带宽的各种复杂波形,相同计算的RMS转换率可以具有实际RMS值。可以使用芯片执行峰值输入信号检测,直接计算峰值检波器和最大正弦输出信号经过分析,TLC1968可直接检测混合固定频率信号的有效值,提高了系统集成度,便于扩展频段。

  2.6 扫频模块

  频率特性测试的本质是频率扫描信号的出现,它向给定频率提供正弦信号,作为网络测试的公共输入。系统编程采用CPLD芯片,采用EDA技术和单片机控制技术构成正弦波形扫描装置。

  直接数字频率控制是一种纯粹的数字方法。因为DDS可保持固定相,并且可以实现幅度,频率和相位控制,该DDS可编程,DDS技术是一种变换器D / A,和累加器相位,同表ROM正弦组装线性频率控制字。其本质为相位累加器。当增量为1,累加器字宽为32时,输出地址对应于纵波1的相位分辨率,并对ROM表输入不同瞬时相位输出的幅度编码。使用FPGA的DDS的实施过程中的基本流程如下:接口VXI系存储在RAM固定数据存储器产生的数据,然后使用相位累加器来计算并确定在RAM存储器中的数据存储地址,最后的输出数据来控制频率,最后通过转换DAC实现任意波形的输出。该技术在数字通信系统中具有广泛的应用。它具有连续相变,高频精度和快速频率变化的特点。 DDS电路采用FPGA设计,可通过软改参数使电路设计更加方便。 FPGA设计的DDS电路比DDS芯片更灵活,适用于芯片内置的应用,设计和机箱。系统的成本不会增加太多。因此,FPGA的设计更具成本效益。

  波频合成原理:直接数字合成器(DDS),这种技术在现阶段比较典型,应用范围也很广。我们可以通过DDS生成随机波形,正弦波频率可以不同,并且可以使用其来控制所生成波形的初始相位。

  DDS 的原理框图如 2-2 所示。

  图 2-2 DDS 原理图

  本系统由相位聚合器,低通滤波器,D / A适配器和波形存储器组成。参考时钟控制在相位组件中输入的频率控制字。其原理为数据用作标签,表搜索表标题生成相空间,然后转换相位容量,然后执行相位转换为幅度,从而输出不同的相位编码。相位聚合器通过N位加法和相位寄存器累加。每当脉冲来自一时钟时,加法器就会添加来自相位寄存器和频率控制的数据输出,最后将结果发送到相位累加器数据的输入,该数据在之前设置动词,数据在一小时后重新馈送到相反的输入,然后通知继续添加频率和相位控制字数据。同时,累加结果高于控制字相位的M位。另外,使用其结果作为波长数据的地址标题,以便相位在参考时钟的影响下累积。当它已满时,会发生溢出,从而完成一个周期,它便是复合信号的周期,直接数字合成信号的频率也就是收集器的溢出频率。

  2.7 本章小结

  本章主要完成了系统的总体设计,介绍了信号频率特征检测仪的总体设计思路。之后介绍了本文总体设计与基本原理。最后介绍了本设计的系统组成以及混频模块,滤波模块,检波模块及扫频模块的设计,阐述了选用这几种方案的依据以及效用,最后完成了本文的整体设计,为后续的研究工作做了充分的知识储备和理论基础。

  第三章 硬件设计

  3.1 硬件总体设计

  本系统是信号频率特征仪。输入信号首先由前置放大器电路放大,然后与扫频器的信号发送到混频器,混合信号被放大并发送到滤波器滤波,仅发送423 kHz信号作为信号频率输出,再由检波电路获得的信号有效值的输出被发送到高速AD转换模块,并且把这些有效值被存储在FPGA的RAM中。 MSP430 MCU可以读取FPGA的正确值,并在处理后将其发送到示波器的Y轴。 MCU还可以通过内部DA生成正斜率三角波,并将其发送到示波器的X轴。两者必须做到准确同步,示波器的频谱图才可以正确得到。同时,通过按键调节可以调整扫描信号的中心频率和带宽,并可以通过LCD屏幕显示测量的中心频率,带宽和相应的动作。

  硬件电路的总体设计如 3-1 所示。

  图 3-1 系统的组成框图

  3.2 主要控制模块设计

  本系统主要的控制模块是由 MSP430F169和外围电路构成。

  3.2.1 单片机最小系统

  主芯片 MSP430F169 最小系统如图 3-2,混合信号控制器功率非常低,可以在极低功率条件下工作。该控制器具有强大的处理能力和丰富的外围设备。借助闪存单片机器也可以进行有效的在线编程和仿真。 MSP430F169芯片可用于不同频率的多个时钟源。本设计中,使用了8M和32.768K晶体,8M晶体通过XT2IN和XT2OUT引脚连接到MSP430芯片,两个电容连接到20pF形成电容,构成了XT2CLK。 32.768K晶体两端连接到MSP430芯片的XIN和XOUT引脚,连接两个20pF的电容构成LFXTICLK配置。同时,本芯片还包含数控振荡器DCO。

  图 3-2 MSP430F169 最小系统

  复位电路:芯片的电路复位电路需要单片机系统,以确保稳定可靠的工作环境。它的第一个功能是复位。

  现阶段有三种主要类型的复位模式:(1)手动复位按钮;(2)电源重启;(3) IEA重置。

  本系统包括两个单片机复位模式:重置手动按钮和看门狗复位。手动复位是最常见的复位模式。将单片机的RESET引脚拉到按钮上方,如图3-3所示。

  如果检测到复位信号,其将从头开始自动启动程序。 IEA重置是通过该机构的内置微电脑微型计时器实现的。一旦单片微处理器被禁用,单片机就无法在指定的死循环中工作,并且IEA计数器无法复位以重置IEA,造成该系统再次运作。 IEA的重新调整对单片机稳定性和系统的正常运行有重大影响。

  图 3-3 按钮复位电路

  于此同时,可以通过按键设置来调整外围电路和其他电路的操作状态。主要采用HD7279芯片设计。 HD7279A可以通过串行接口同时驱动多达8个普通数码管。该芯片可同时驱动多达64个矩阵键,可以单芯片设置并完成键盘接口和LED显示功能。

  主要特点:

  串行接口,无需外部元件即可直接驱动LED;

  独立控制编码/解码,不会产生跳动性能;

  向左/向右移动以移动命令。

  使用注意事项:HD7279应采用普通阴极数码管连接;应用时,使用键盘和数码管才可以连接。使用时必须连接到HD7279普通阴极数码管;在设置过程中,使用键盘和数字控制才可连接;在应用过程中,必须选择下拉电阻连接到按一定比例键盘;要求HD7279振荡电路外部接一个RC电路提供系统。使用7279芯片制成的按钮模块来控制运行状态。不使用扫描按钮,但主中断输入按钮设置为使用微控制器的P1.0提供程序执行时间。

  P1.1,P1.2,P1.3 口。图 3-4 为 7279 键盘电路。

  3.2.3 液晶及示波器显示模块

  本实验用 12864 液晶使用 ST79204 控制器,5V 的电压驱动,自带背光,8192内置的 16×16 点阵,128 字和 64×256 点阵显示 RAM,使用并行控制模式的外部CPU 接口。

  12864 采用标准的 20 脚接口,管脚连接如图 3-5,其中:

  第 1 脚:VSS 为电源地;

  第 2 脚:VDD 接到 5V 的电源正极上;

  本文采用的12864液晶单元具有ST79204控制器,5伏的驱动电压,自背光,矩阵8192内置16×16点阵,128个字和64×256点阵显示RAM,使用该界面CPU并行控制模式外部。

  12864使用20脚的标准接口,管脚如图3-5所示,其中:

  引脚1:VSS是地电;

  引脚2:VDD连接到5V电源的正极;

  引脚3:V0用作LCD屏幕的对比度控制,连接接地电源时对比度更高。

  当电源为正时,对比度较弱;

  引脚4:RS是寄存器选择高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择

  指令寄存器;

  引脚5:RW是读/写信号线。高电平 1 时可以进行读取,低电平 0 时可以进行书写;

  引脚6:E为使能端;

  引脚7~14:从D0到D7是双向数据站;

  引脚15:选择PSB并/串行,H是并行选择,L是串行选择;

  引脚 16:空;

  引脚17:复位RST,低电平有效;

  引脚18:空;

  引脚19~20:电源背光。 19是正极,20是负极。

  在器件连接中,从D0到D7的双向数据引脚从液晶顺序连接到单片机的P2端口以进行数据传输。引脚4,5和6从12864连接到单片机的P6.3,P6.4和P6.5引脚。 15引脚连接到单片机的P6.1引脚。当连接正确,写入软件时可以保证液晶的有效显示。

  图 3-5 LCD12864 液晶显示屏接口

  3.3 混频模块硬件设计

  混合模块的功能是通过交换信号频率来乘以输入信号。我们可以使用二次超导混合芯片来搭建MC3362混合电路。它的外围电路复杂,信号的动态范围小,输出的电压幅度为非线性,因此它会对频谱测量产生一些影响。混频器输出信号不是很干净,因此其抑制弱噪声弱。

  本设计使用乘法器来搭建混频器电路。 AD835通过两个频率和差分信号放大振动信号和输入信号,以实现混频效果。与最广泛使用的MC1569相比,可以实现输入信号幅度来抑制噪声。 AD835具有较大的动态范围,更灵活的输出,在该设计中更加实用。

  3.3.1 前置放大电路

  前置放大电路采用基于0PA690芯片的设计方案。芯片0PA690高性能的放大器,并具有良好的性能噪声指标,并且可以提高输出驱动能力和比较小信号电源的带宽,图3-10为所示的前端放大电路,放大器,本文所需要的最小输入信号为20mV ,使得峰值电压1V的输出放大电路18倍,2倍放大电路中的第一级,由于电阻是引进50欧姆时,由于第一级的分压放大倍率为1,且因为放大第二级是18倍。

  设一输入为ui1,输出为uol;两个输入输出ui2,uo2,放大倍数的计算如下:

  一级:

  二级:

  此前置放大电路可实现50欧姆的输入阻抗,其电压输入信号的有效值满足20mV-50mV的要求。

  3.3.2 中频的选择

  在混频器的输出信号里面不仅有需要的差额信号,还有一些谐波组合和谐波频率,如果这些组合频率接近于中频并落在中频放大器的通频带内,则会形成干扰。

  本文要对1-30MHz的波长范围内测量,所以选择的频率为423KHz, 在整个波段,只有少数的频率点符合。

  3.3.3 混频电路

  混频的核心是频谱转换过程,通过将信号相乘来实现。由于集成电路的发展,内置对称乘法比分立元件更有效。我们选择了美国AD公司的AD835集成乘法器来完成乘法和混频功能。 AD835的输出噪声非常低。当输入信号为30 MHz时,它仅产生0.274毫伏的噪声。它具有更少的外部组件。

  以混频电路与AD835倍增器作为一级混频。

  电路的乘法器部分是实现级别的混合电路的主要部分。混频是一种线性移动光谱,旨在引入输入信号、差频信号和扫频信号。

  假设输入信号电压为:

  (3-3)扫频信号电压为:

  (3-4)经过混频后的信号为:

  (3-5)

  由于每个混频器的输入信号频率相等且相位不同,因此结果是一个支流信号和一个而被频率的信号。通常,仅请求一个中频信号,并且通常使用带通滤波器来移除使用的边带。对于系统来说,输入信号和频率信号在混频器中一起输入,然后把中频信号通过滤波器滤波,最后发送到检测电路进行RMS检测。信号频率特征仪的主要部分便是混频器。 混频器电路图如图3-11所示。

  3.4 滤波器模块硬件设计

  对于混频输出的非中频信号,有必要在最后阶段添加一个窄带滤波器。 本系统的波段滤波器采用0PA228。 其功能是仅允许带通信号通过并抑制通带。 由于DDS扫描的最终频率已设置为0~10MHz,因此滤波器输出的中心频率为423 kHz。 通过对通常的波导滤波器进行一些改变来获得以下的带通波滤波器。电路原理图如图3-12。

  由图可计算出,此滤波器的通带增益为:

  3.5 检波电路硬件设计

  检测电路的功能是提取正弦信号的有效值。为了提高检测精度,检测电路由TLC1968芯片组成。该芯片主要用于将AC信号的RMS值转换为DC信号进行测量。外围电路是电容器,电容器选择极为重要,这决定了检测时间和稳定性的准确性。具有高检测精度的大容量具有长的放电时间。小电容器提高了当前电流检测电路的检测精度。为了提高DDS扫描的速度和数据采集的准确性,我们选择了一个10uF的电容器,效果很理想。检测图如图3-13所示。这里,放大器检测器用于促进的采样。

  检波器电路如图3-13所示。

  3.6 扫频发生模块

  它是一种直接数字频率混合器,通常是第三代频率调谐技术。该方法不仅可以在各种频率的正弦波中发生,还可以控制波形的初始相位,并且可以产生任意波形。 DDS框图如图3-7所示。

  图3-7 DDS原理图

  该系统由相位合成器,低通滤波器,D / A适配器和波形存储器组成。参考时钟控制要发送到相位编译器的频率控制字,产生相位距离。该数据用作搜索表的地址以处理ROM表,然后执行相位转换以输出不同相位编码的能力。相位控制器由N位扩展和相位寄存器组成。每次脉冲发生一时钟,加法器就回记录和相加控制的数据输出,最后将结果发送到相位合成器的输入端,反馈数据输入到相应的数据后,数据会增加控制和频率数据继续累积,并在同一时间将看到累积的结果,该结果是用来寻址的波形数据地址信号。这样,在参考时钟中,相位累加器将添加相位,当相位编译器满时,将存在时间溢出,完成一个周期循环,这是复合信号的周期,直接数字合成信号的频率是累加器溢出的频率9。

  图3-8是DDS时序图,它将并行数据转换为串行数据。这是因为sig_clk是系统是时钟输入,sig latch,sig sel,dat_in是串行数据输入,dat_out是输出串行数据。

  图3-8 DDS时序仿真结果

  在产生频率扫描信号之后,自动控制信号以稳定扫描输出信号的输出电压。该电路使用集成的AD603芯片。这是一个可编程增益调节器芯片,它将运算放大器与可调增益范围相结合可用于低噪声信号,作为分贝增益和电压之间电压之间的线性关系,以控制增益。带宽信号增益为11~30 dB。增益控制接口的输入阻抗相对较高。在多通道应用中,可以用一个电压控制多个参考放大器。同时,增益控制接口也是差分输入能力,必须根据输入信号的电平和极点进行设计以确定适当的控制器系统。

  在设计上,采样高速后,单片机计算增量以及控制得到的增益电压,精确控制放大器增益,可以达到稳定输出。图3-9电路是双路信号输出后单片机的DA共同控制的。

  3.7 电源转换电路设计

  鉴于部分模块使用电源为4.5V,而 MSP430F169使用3.3V电压。所以设计一个电路将4.5V 直流电压转化成3.3V直流。该电路使用AMS1117-3.3芯片。它是一个低压差分稳压器,可产生3.3 V 1A的直流输出。 AMS1117将热保护与限流电路相结合,稳压芯片非常适合用作3.3伏直流稳压器。 其具体的电路设计如图 3-6。当从1117-3.3将4.5伏稳压电源插入VIN端时,GND端接地,Vout端就会提供3.3伏稳压输出。由于输出信号可能有噪声的干扰,所以添加两个电容来过滤输出,使输出电压更稳定,如图3-6中的C2和C4电容所示。

  图3-6能量转换电路

  通过该电路,便同时拥有了4.5V和3.3V的电压,可以满足不同设备电源的系统要求。

  3.8 本章小结

  本章介绍了硬件总体设计,主要控制模块设计,混频模块,滤波模块,检波模块及扫频模块的硬件设计以及电源转换电路的设计。本章设计的具体的各个模块进行了分析与理论说明,基本完成了本文的所有硬件设计。

  第四章 软件设计

  4.1 软件总体设计

  本设计主要用于完成扫频控制,频率特性基于零方位移原理。

  计算和特征显示出独特的曲线。在引导时,系统将首先判定当前运行状态,然后根据相应的情况执行相应的操作。本方案基本上将该系统的运作分为两个工作图。程序主要有两个工作状态:设置态与运行态。系统激活后,LCD屏幕和按钮被初始化。在选定的情况下,使用

  用户可以通过按键来调整屏幕中心频率,显示内容。在运行状态下,系统将连续执行扫频控制,频谱计算并控制输出显示,并通过按键中断服务程序来进行状态转换。图4-1显示了主程序流程图和相关的单元模式。

  图 4-1 主程序流程图

  4.2 设置状态和在运作状态处理函数设计

  在设置状态下,尚未输出频谱。用户可以通过按键设置所需的屏幕中心,频率,带宽和所需显示内容等。通过在设置后可启动开始运作键来开始操作。系统开始使用7279键盘上的操作键工作,此时LCD将显示相应的操作状态。首先,单片机控制FPGA输出已设置的相应频率和相位的正交扫描信号,该信号与待测放大信号一起输入到混频器。混频输出信号的频率更复杂,然后中频信号通过滤波器输出所需的滤波函数。过滤检测之后,MSP430的AD收集和处理的输出数据(考虑MCU的存储空间和运行速度,所收集的数据将被发送到FPGA的ROM用于存储,和然后输入到单片机计算)。在上一个操作完成后,单片机将从FPGA读取有效值。 DA处理后,将其发送到示波器的Y轴。与此同时,在MCU的另一DA将产生从0到30MHz的正斜率电压,并用1MHz的的间隔,其被发送到示波器的X轴的频率标记。要求X轴和Y轴必须是同步输入,以便双路DA的输出数据可以输入到示波器以显示频谱。系统一直运行,直到它被设置为适当的状态。设置状态和运作转状态处理函数的流程图如

  图 4-2(a)和 4-3(b)所示。

  (a) 设置状态处理函数流程图 (b) 运行状态处理函数流程图

  图 4-2 各状态函数流程图

  4.3 7279接收按键信息中断服务流程设计

  在程序开始时,键盘被初始化并选择相应的操作状态。在程序中,通过一个外部状态信号用于控制中断信息键的值,并为该操作选择相应状态进行判断。在设置和运行状态下执行相应的工作。设置按键时,可以通过键盘输入中心频率和带宽等信息,相应的信息将显示在液晶显示屏上。按下运行键,系统开始工作。此时,信息设置按钮被禁用。按下运行键后,所有系统设备都开始工作,效率更高(如4.2所述)。该芯片可同时连接多达64个键盘矩阵键,并完成全屏显示和键盘接口。

  7279 接收按键信息中断服务程序流程如图 4-3。

  图 4-3 7279 接收按键信息中断服务函数流程

  4.3 本章小结

  本章完成了本文的软件设计部分。本章描述了软件设计的要求,也完成了本文的主程序软件的设计,完善了本文的最后设计与补充。

  第五章 调试与结果

  主要测试仪器有:LPS-305数字线性电源,DG4102信号发生器,DS1102D双通道数字存储示波器,DT9205数字万用表等。

  主要测试方法是:

  正交扫频源测试:输出频率步进为100 kHz。 对于具有频率输出的每个信号,都用示波器观察其幅度,电压峰值等信息。

  5.1 正交扫频信号源测试

  正交扫频信号源的测试:使输出频率按 100kHz 步进,使用示波器观察每一个输出频率信号的电压峰值,幅度信息。数据结果如表 5-1所示。

  表 5-1 前置放大器测试数据表(输入信号峰峰值为 14mV)

  由表 5-1 可得出当此设计正交扫频信号频率为 1MHZ~15MHZ 时,幅度比较稳定,适合于测量,输出较稳定相频和幅频等特性。

  5.2 制作的增益控制电路的测试结果

  在正弦信号输出与传输的过程中,要保证幅度稳定,使信号按照一定的步进输出。本文设计了增益控制电路。下面是对增益控制信号的测试。

  表 5-2 增益控制测试

  从表中可观察到,伴随着输入端电压增大,增益也增大,而且比较稳定。

  5.3 本章小结

  本章完成了正交扫频信号的测试和增益电路的测试,得出了本文的结论,也为最后的总结与展望做了铺垫。

  [1]基于HMC1001的移频信号检测仪的开发[J]. 安义岩,田慕琴,宋建成. 煤炭技术. 2016(02)

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