一、任务
根据零中频正交解调原理，设计并制作一个双端口网络频率特性测试仪，包括幅频特性和相频特性，其示意图如图 1 所示。
二、要求
1．基本要求
制作一个正交扫频信号源。
（1）频率范围为 1MHz~40MHz，频率稳定度≤10-4；频率可设置，最小设置单位 100kHz。
（2）正交信号相位差误差的绝对值≤5º，幅度平衡误差的绝对值≤5%。
（3）信号电压的峰峰值≥1V，幅度平坦度≤5%。
（4）可扫频输出，扫频范围及频率步进值可设置，最小步进 100kHz；要求连续扫频输出，一次扫频时间≤2s。
2．发挥部分
（1）使用基本要求中完成的正交扫频信号源，制作频率特性测试仪。
a. 输入阻抗为 50Ω，输出阻抗为 50Ω；
b. 可进行点频测量；幅频测量误差的绝对值≤0.5dB，相频测量误差的绝对值≤5º；数据显示的分辨率：电压增益 0.1dB，相移 0.1º。
（2）制作一个 RLC 串联谐振电路作为被测网络，如图 2 所示，其中 Ri 和Ro分别为频率特性测试仪的输入阻抗和输出阻抗；制作的频率特性测试仪可对其进行线性扫频测量。
a. 要求被测网络通带中心频率为 20MHz，误差的绝对值≤5%；有载品质因数为 4，误差的绝对值≤5%；有载最大电压增益≥ -1dB；
b. 扫频测量制作的被测网络，显示其中心频率和-3dB 带宽，频率数据显示的分辨率为 100kHz；
c. 扫频测量并显示幅频特性曲线和相频特性曲线，要求具有电压增益、相移和频率坐标刻度。
（3）其他。
三、说明
1．正交扫频信号源必须自制，不能使用商业化 DDS 开发板或模块等成品，自制电路板上需有明显的覆铜“2013”字样。
2．要求制作的仪器留有正交信号输出测试端口，以及被测网络的输入、输出接入端口。
6．幅频特性曲线的纵坐标为电压增益（dB）；相频特性曲线的纵坐标为相移（º）；特性曲线的横坐标均为线性频率（Hz）。
7．发挥部分中，一次线性扫频测量完成时间≤30s。
GPT-4o给出的设计方案：
一、设计方案
本题的任务是设计并制作一个双网口网络频谱特性测试仪，用于测量电路的频谱特性和相位特性。以下是详细的设计方案：
二、方案论证
-
信号发生器与检测电路：
- 选用高精度DDS（直接数字合成）信号发生器芯片，如AD9850，用于产生正弦波信号。
- 设计RLC串联谐振电路作为被测对象，确保测量频率范围0.3MHz到20MHz。
-
数据采集与处理：
- 利用高速ADC（如AD9230）进行信号的采集和数字化。
- 选用MCU（如STM32系列）处理数据，计算相位特性和幅频特性。
-
显示与用户交互界面：
- 显示部分采用LCD屏幕或计算机，显示频谱特性曲线和相应数据。
三、重要指标的理论分析
-
幅频特性：
- 通过测量电压增益 Uout/Uin以及相位差，绘制幅频响应曲线。
- 增益计算公式： G = 20 log (Uout/Uin)
-
相位特性：
- 可通过测量输入信号和输出信号的相位差获取，相位差计算公式：Φ = Φin- Φout
四、电路原理图设计要点
- 信号发生器电路：
- DDS信号发生器 (如AD9850)：
- 连接稳定的晶振和精密的电压基准电路。
- 输出端连接带通滤波器，用于去除谐波和寄生频率成分。
- 滤波后的信号通过缓冲放大器，防止后级电路对信号源负载的影响。
- RLC谐振电路：
- 电感L和电容C的选择：
- 参数选择要保证谐振频率覆盖0.3MHz到20MHz。
- 使用高精度电感和电容，尽量减小元件的寄生效应。
- 测量电阻R0：
- 选择小阻值高精度电阻用于电流测量，避免过大影响谐振特性。
- 输出电阻RL：
- 固定为50欧姆，用于匹配测量设备的输入阻抗。
- 数据采集电路：
- 高速ADC (如AD9230)：
- 输入端添加抗混叠滤波器，防止高频干扰影响采样结果。
- 同步时钟电路，确保采样时钟信号稳定，并与DDS输出信号频率同步。
- ADC采样之后的数据通过SPI总线传输到处理器进行分析处理。
- MCU控制及显示电路：
- MCU (如STM32)：
- 提供用于控制DDS信号发生器的SPI接口，设置特定频率范围内的扫频信号。
- 统筹兼顾控制整个系统，包括信号采集和数据处理。
- 与显示单元通讯，实时显示频谱特性数据。
- LCD显示模块：
- 接收MCU处理后的数据，显示测量的幅频特性和相位特性。
原理图设计示例
+----------------------+
| 晶振电路/电源 |
+-----------+----------+
|
v
DDS芯片
AD9850
|
+---------+---------+
| |
v v
滤波电路 缓冲放大
| |
+--------+----------+
|
RLC 电路
|
高速ADC (AD9230)
|
+---------+---------+
| |
v v
MCU 显示模块
STM32 LCD五、核心器件设计要点
-
DDS芯片（AD9850）：
- 高频率分辨率和相位噪声性能，支持0.3MHz至20MHz的频率范围，确保信号纯净。
-
ADC芯片（AD9230）：
- 高达100MSPS速率，14位分辨率，具备低噪声和高精度。
-
MCU（STM32系列）：
- 足够的处理能力和外设接口（如SPI、I2C、ADC等），能够实时处理采集到的数据。
六、重要功能的C代码
MCU处理数据和显示部分
#include "stm32f4xx.h"
// 初始化函数
void system_init() {
// 初始化ADC
// 初始化SPI
// 初始化LCD显示
}
void capture_data() {
// 从ADC读取数据，采样频率、幅度等
}
void calculate_gain_phase() {
// 计算增益和相位差
float gain, phase;
// 读取输入和输出信号的幅值
uint16_t u_in = read_adc_in();
uint16_t u_out = read_adc_out();
gain = 20 * log10((float)u_out / (float)u_in);
// 读取输入和输出信号的相位
float phase_in = read_phase_in();
float phase_out = read_phase_out();
phase = phase_in - phase_out;
// 显示结果
display_gain_phase(gain, phase);
}
int main(void) {
system_init(); // 系统初始化
while(1) {
capture_data(); // 捕获数据
calculate_gain_phase(); // 计算增益和相位
}
}通过上述设计和代码，可以有效实现双网口网络频谱特性测试仪的功能，满足题目要求。设计中结合了信号发生、频谱分析和数据处理的综合知识。
本题考察的主要知识点：
- 信号发生与检测电路设计：包括利用DDS（直接数字合成）产生高精度的正弦波信号，以及设计RLC谐振电路以模拟被测对象。
- 幅频特性与相位特性分析：通过测量输入和输出信号的幅值和相位差，计算并绘制幅频响应曲线和相位特性曲线。
- 数据采集与处理：使用高速ADC对信号进行实时采集，并通过MCU或FPGA进行处理，从而实现频谱分析和相关数据计算。
- 系统集成与显示：集成信号发生、电路测量、数据处理与显示，为用户提供可视化的频谱特性和相位特性结果。
这些知识点涵盖了模拟电路设计、信号处理、嵌入式系统编程以及测量与仪表，这些都是硬件工程师必备的技能。
