2016年TI杯邀请赛C题解析
距離2020年TI杯邀請賽開始還有十天，抓緊時間練手！
今天帶來的是2016年TI杯邀請賽的C題——頻率特性測試儀，本題的原版題目已經(jīng)上傳到我的資源，請下載查看！
一、題目解析
制作一臺頻率特性測試儀，系統(tǒng)組成框圖如下：
題目重述：
（1）制作掃頻信號發(fā)生器：
? ? ? ? ? a、輸出振幅為1V的正弦電壓
? ? ? ? ? b、掃頻范圍為1kHz~1MHz，頻率步進10Hz和1kHz可選
? ? ? ? ? c、輸出電阻為50Ω
（2）制作被測網(wǎng)絡：
? ? ? ? ? a、輸入、輸出阻抗為50Ω
? ? ? ? ?b、由截止頻率為100kHz的低通和截止頻率為10kHz的高通串聯(lián)形成，濾波器的增益均為1（這里有些歧義，到底是考慮阻抗匹配還是不考慮增益為1）
（3）制作采樣調(diào)理電路
? ? ? ? ? a、輸入阻抗為50Ω
（4）形成測量系統(tǒng)
? ? ? ? ?a、使用掃頻法測量被測網(wǎng)絡的幅頻特性，并在LCD上顯示幅頻特性曲線和截止頻率，測量時間小于10s
? ? ? ? ?b、使用點頻法測量被測網(wǎng)絡的電壓增益，LCD上顯示被測網(wǎng)絡的增益和頻率，測量相對誤差小于5%，點頻的頻率由鍵盤設定
? ? ? ? ?c、使用掃頻法測量被測網(wǎng)絡的相頻特性，并在LCD上顯示相頻特性曲線，測量時間小于10s
? ? ? ? ?d、使用點頻法測量被測網(wǎng)絡的相移，在LCD上顯示被測網(wǎng)絡的相移和頻率，測量相對誤差小于5%，點頻的頻率由鍵盤設定
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整體來看這道題，比較難的在于掃頻實現(xiàn)和相位測量，首先來看看什么叫掃頻法：
? ? ? ?掃頻就是信號源在一個頻段內(nèi)（這道題就是1kHz到1Mhz），頻率由高到低變化，幅值確定的信號。頻率的變化規(guī)律可以設置為線性和對數(shù)變化（這道題就是線性），線性變化是指頻率隨時間均勻增加，標準線性掃頻大概就是：某一個點頻率為f，f隨時間線性變化，所以i點對應的頻率只在該點出現(xiàn)。對數(shù)變化是指頻率隨時間呈對數(shù)變化，。所以對于本題來說，10s內(nèi)由1kHz到1MHz，線性掃頻函數(shù)即為；對數(shù)掃頻函數(shù)即為。
? ? ? 但是，題目要求了每次頻率步進10Hz和1kHz可選，就說明頻率要求是離散的而不是連續(xù)的，標準掃頻信號需要用變?nèi)荻O管實現(xiàn)，但是離散的近似掃頻信號用DDS就行了，注意這里是利用的DDS芯片，每次改變頻率寄存器后，下一次的波形仍然按照正弦表順序進行，只不過頻率升高跳過的點數(shù)增加，所以他的波形依然是連續(xù)的，不會因為改變頻率而斷續(xù)（斷續(xù)誰知道會在后級電路引起什么幺蛾子）
二、硬件電路設計
1、信號發(fā)生器電路設計
? ? 利用DDS芯片AD9850實現(xiàn)0~2V固定幅值掃頻信號輸出，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)化電路到0~1V，電平轉(zhuǎn)化電路如下：
2、被測電路設計
這個比較容易實現(xiàn)，用四元件SK濾波器就可以，后期我會總結(jié)濾波器的計算公式，這里先放原理圖：
3、采樣調(diào)理電路設計
這個電路主要完成兩個功能：第一是如何將輸出信號幅值側(cè)準（10mV~1V），并且快速響應掃頻變化（10us）；第二是如何將輸出的小信號相位檢測輸出，并與輸出比較。我們一步一步看：
3.1峰值檢測電路
剛開始使用的有效值檢測電路，但是發(fā)現(xiàn)根本沒法用，因為他的響應時間和準確程度幾乎是魚和熊掌，不可兼得。所以后來采用的峰值檢測電路，具體電路圖如下：
這是一個比較經(jīng)典的峰值檢測電路，做出來可以測到120MHz，精度比較高（和選擇的運放有關），響應時間主要是受積分器影響的，而限制積分器時間常數(shù)不能太小的原因是：TLV3501的低電平輸出非零，導致在低電平的時候也會給電容充電，所以為了減小充電電流，需要增大電阻R14，同時減小電阻R15，所以會使得時間常數(shù)增大。當然，也可以通過TLV3501的非平衡供電解決此問題，即負供電電壓使用-0.1V，使得輸出為0V。
3.2相位檢測電路
相位檢測就是利用比較器將輸入和輸出正弦波轉(zhuǎn)化為方波，然后檢測方波的上升沿時間差。問題在于如何實現(xiàn)10mV小信號的比較，因為比較器的自帶遲滯電壓就有幾個mV，如果采用輸入信號輸出信號相同比較電平，肯定會有非常大的誤差，如果比較電平不相同，如何做到輸出比較電平隨輸出信號大小而隨動呢？面對這些問題，我們決定采用自動增益電路，將輸出信號放大到統(tǒng)一的幅值而不改變其相位，然后利用統(tǒng)一的比較電平轉(zhuǎn)化為方波。AGC電路如下：
這個電路時VCA810器件手冊提供的，只不過他用的一個運放當比較器，不好，這里采用的是TLV3501實現(xiàn)比較功能。有幾點需要注意：
a、C8電容是和被控信號的頻率范圍有關的，C8越大，被控信號頻率下限越低，上限越高，我是試出來的，計算方法應該是有的。
b、關于R10的100Ω電阻，這個電阻如果不加，而且輸出對地沒有接電阻或者電阻大于150Ω，輸出波形就是震蕩（別問我咋知道的，兩天。。。），原因在于VCA810后級不能直接對地接電容，即使非常小也不行，比如TLV3501輸入電容為4pF，直接接上去就震蕩，而為什么對地接電阻之后就不震蕩，因為沒有VCA810的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，沒有辦法做出分析。但是可以肯定的是和相位余量有關，串接100Ω電阻會起到隔離的作用，改變純?nèi)菪缘呢撦d性質(zhì)，而且因為3501輸入高阻，這并不會影響電路性能。
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關于本題的程序部分請見：
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的2016年TI杯邀请赛C题解析的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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