当前位置：搜档网 › 矢量网络分析仪毕业论文

矢量网络分析仪毕业论文

题目：红外语音报警器的研究与设计

专业：电子信息科学与技术

系别：物理与电子工程学院

摘要

该报警器能探测人体发出的红外线，由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和音响报警电路等组成。当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警声，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。概述了红外辐射的知识、热释电红外传感器的结构和工作原理。利用热释电红外传感器设计了一种被动式红外报警电路,分析了该电路的功能和工作原理。热释电红外传感器具有很多的优点,在防盗、警戒等装置中应用较广。

关键词：红外线热释电效应菲涅尔透镜

Abstract

This alarm detects a human body the infrared, and by infrared sensors, signal amplifier circuit, voltage comparator delay circuit and acoustics, alarm circuit etc. When people enter the alarm surveillance area, can alarm sound, suitable to family, office, warehouse, laboratory, are important occasions security alarm. Summarizes the infrared radiation of knowledge, pyroelectric infrared sensor structure and work principle. Pyroelectricity infrared sensor design, a passive infrared alarm circuit, analyzed the function and working principle of the circuit. Pyroelectric infrared sensor has a lot of advantages, in security, alert in the device such as are widely used.

Keywords：infrared，pyroelectric ，Fresnel lens effect

摘要..................................................................................................................................... II Abstract .............................................................................................................................. I II 第1章绪论. (1)

1.1 历史及应用背景 (1)

1.2 国内外矢量网络分析仪的现状 (1)

1.3 研究矢量网络分析仪的目的和意义 (1)

1.4本课题介绍 (2)

第2章网络分析仪及其技术概览 (3)

2.1网络分析基本概念 (3)

2.1.1网络分析概述 (3)

2.1.2微波网络S参数 (4)

2.2网络分析系统 (6)

2.2.1标量网络分析仪 (7)

2.2.2矢量网络分析仪 (7)

第3章矢量网络分析仪硬件设计 (8)

3.1 总体方案设计 (8)

3.2 微控制器接口电路设计 (9)

3.3 跟踪信号源 (9)

3.3.1直接数字频率合成(DDS) 技术 (9)

3.3.2跟踪信号源的设计 (10)

3.4 幅度/相位检测电路 (12)

3.5 模数转换电路 (14)

3.6 Switch电路设计 (15)

第4章矢量网络分析仪软件设计 (16)

4.1 PC机应用软件设计 (16)

4.1.1 VB程序界面设计 (16)

4.1.2 通信协议 (17)

4.2 下位机软件设计 (19)

第5章系统调试 (23)

5.1模块电源调试 (23)

5.2跟踪信号源调试 (23)

5.3数据采集模块调试 (23)

5.4系统连调 (23)

第六章结论 (24)

参考文献 (25)

致谢 (26)

附录一STM32核心电路图 (27)

附录二信号源电路图 (28)

第1章绪论

1.1 历史及应用背景

随着世界的不断进步，人们对自己所处环境的安全性有了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。

在红外线探测器中，热电元件检测人体的存在或移动，并把热电元件的输出信号转换成电压信号。然后，对电压信号进行波形分析。于是，只有当通过波形分析检测到由人体产生的波形时，才输出检测信号。例如，在两个不同的频率范围内放大电压信号，且将被放大的信号用于鉴别由人体引起的信号。于是，误将诸如热电元件的爆米花噪声一类噪声当作为由人体所产生而在准备加以检测乃得以防止。

该红外线探测器包括红外线发射器、接收器、以及信号处理器，信号处理器的信号输出端经红外线发射电路与红外线发射器连接；信号输入端经红外线接收电路与红外线接收器连接，其反馈信号输出端与外围控制电路连接。本技术采用微型单片机作为信号处理器产生编码信号，驱动红外线发射器发出带有编码信号的红外线信号，并实时检测经过放大电路处理后的反射信号，其编码信号能够保证多个相同型号的传感器同时同地工作而不相互干扰。而且工作频率一致、可靠性高、功耗小

1.2 国内外矢量网络分析仪的现状

近年来由于红外线是不可见光，具有很强的隐蔽性和保密性，所以众多的红外产品也应用到小区的保安工作中，但大多数都应用在夜间照明，以提高监控性能。同比国外的防盗、保安报警器基本都是以超声波、红外线放射/接受以及微波等技术为基础。利用科技手段和有效的物业管理，改变人们安全防范的方法和手段，从单一闭式、被动型安全模式向多元化、综合化、电控化以及红外报警处理方向发展。目前国际上应用最多的是主动红外对射总线控制报警主机的方式，这种方法具有技术成熟、可靠性高、以扩展、操作简便、经济性好等特点。

目前，市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有上海产的SD02、PH5324，德国产的LH1954、LH1958，美国HAMAMATSU公司产P2288，日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。虽然它们的型号不一样，但其结构、外型和电参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。

1.3 研究矢量网络分析仪的目的和意义

根据电路理论, 任何复杂的电路都可用四端网络来代表, 根据网络参数特性可

求得该电路的增益、相位的频率变化特性, 因而, 矢量网络分析仪测量的是幅度和相位, 而标量网络分析仪只测量幅值。阻抗特性由矢量网络分析仪测量, 频谱特性由频谱分析仪, 网络分析仪和频谱分析仪是电子元件至系统, 从设计、生产至维修都不可缺少的测量仪器。因此，开发出高性价比的矢量网络信号分析仪，保持与国外同类产品在性价比的优势，打破国外技术垄断和封锁，对发展我国电子产业有非常重大的意义，加紧对这类产品的研制显示得非常紧迫，在本设计中采用了直接数字频率合成技术并且采用了单片宽频带相位差测量芯片等新型技术，与基于超外差系统的矢量网络分析仪相比，节省了大量器件和PCB面积，减小了系统体积，提高了整机性价比。

1.4本课题介绍

本仪器是一种智能化的测量仪器，具体体现在：采用低功耗32位ST公司Cortex-M3内核ARM微控制器STM32F103进行控制，能对测量的数据进行处理；采用直接数字合成(DDS)芯片产生精确的信号源作为被测网络的输入，避免了采用压控振荡器(VCO)和锁相环(PLL)难以控制、精度不高的缺点；并编写了用于PC端的应用软件，能直观地显示被测网络的幅频、相频特性曲线，能够定量观察幅度增益、相位差和频率值的大小；另外还可进行测量中的误差校正，非线性自动补偿等功能。

本论文的工作是掌握网络分析相关理论，设计出矢量网络分析整机系统。为了保证系统设计的可行性和测量的精度，在方案论证阶段，利用各种仿真软件对各个测量模块进行功能仿真和验证。利用Cadence Allegro软件对低通和带通滤波器、整型电路、阻容网络的频率特性进行仿真，从而保证了整个系统设计的可行性和测量的精度。

该矢量网络分析仪用于测量双端口线性非时变网络的频率特性，包括传输和反射信号幅频和相频特性。具体指标如下：

频率输出范围：1Hz 到120MHz

频率分辨力：1mHz

幅度测量：-62dbm~-2dbm(50Ω负载阻抗)

幅度/相位精确度：<0.5dB/<1°

幅度/相位分辨力：0.01dB/0.01°

输出功率：大于0dbm

输出阻抗：50Ω

第2章网络分析仪及其技术概览

2.1网络分析基本概念

2.1.1网络分析概述

这里所说的网络，并不是指通常大家所熟知的计算机网络，而是对实际物理电路和元件的一种数学抽象，用来研究外部特性：系统中元件的作用可以通过对它激励信号的传输及反射特性来表征。即当网络输入、输出端电参量之间的相互关系已知时，元件的特性也就因此完全确定。网络分析就是通过扫频测量精确获知元件的幅频特性和相频特性的方法。

频谱测量所表征的是电路单元中存在的信号特性，而网络测量所表征的则是电路单元组成的系统特性。例如，对一个滤波器输出的相位噪声或寄生频率分量，可以用频谱仪来测量、而要了解—个滤波环路的传递特性，就要使用网络分析仪进行测量了。

1.线性网络与非线性网络

在考虑非线性引起的失真时，常常会发现纯粹的线性网络仍可能导致信号的畸变。线性网络的确能够改变信号频谱分量的幅度和相位关系，从而使时域波形发生变化，但这和非线性失真是有区别的：线性网络或系统仅改变输入信号的幅度和(或)相位值，不会产生新的信号；而有源和无源非线性器件则会改变输人信号的频率，或者产生其他频率成分。如图2-1所示，当放大器过载时．输出信号会因为饱和而被“削顶”，而且不再是纯正弦波，还会出现频率数倍于输人信号的谐波分量。

Frequency Frequency

图1-1 非线性失真

如果通过网络传输的信号没有产生失真，DUT 的幅频响应特性曲线应该是平坦

的，相频响应曲线应在整个带宽内呈线性。如果输出波形有任何畸变，变化的程度取决于幅度和相位的非线性。

网络分析总是假定被分析电路或网络是线性的，因而可以基于扫颜正弦测量方法进行频率特性的定量分析。对于非线性网络，通常使用频谱分析仪来测量。

2. 网络分析参数

网络分析常用信道R 进行入射波测量，信道A 测量反射波，信道B 测量传输波。通过比值测量，我们可以获得相对/传输参数：反射参数由A/R 得到，传输参数由B/R 得到。入射、反射和传输波形都同时具有幅度和相位信息，因此可以对DUT 的反射和传输特性进行定量分析。反射、传输参数可以表达为矢量（同时包含幅度和相位信息）、标量（仅包含幅度信息）或仅含相位信息的形式。

入射波与反射波的关系用反射系数Γ代表，并可用下式加以表示，即

Γ=反射波振幅/入射波振幅

或

L o

L Z Z Z Z +-=

Γ （2.1）

回波损耗（Ruturn Loss ，简称RL ）是反射系数的对数表征形式，单位为dB 。对于特征阻抗为o Z 的传输线，在终接匹配负载时没有发生发射；当负载阻抗

o L Z Z ≠时，会因为失配而产生反射。传输线路上所形成的电压最大值max V 与最小值

m in V 之比称为电压驻波比（V oltage Standing Wave Ratio ，简称VSWR ），一般仅称为

SWR 。驻波比具有以下关系：

m in m ax /V V SWR =

又可表示为：

-Γ+=

11SWR （2.2）

显然地，当无反射时，1=SWR ，当全反射时 ∞=SWR 。

2.1.2微波网络S 参数

在低频中，一般用阻抗Z 参数或导纳Y 参数来表述网络特性，这些参数的定义

都是基于电压、电流的概念，测量时需要在特定的端口条件下（如开路、短路）测出对应的电压和电流，由此确定各参数，而在高频中，很难测量器件端口的电压和电流。由于探头自身阻抗不能简单的通过连接电压表或者电流表探头进行精确测量，同时很难在期望的位置放置探头。并且动态器件可能因为连接探头短路和开路而震荡或损坏。由此必须找到一种方法适合微波测量。

Incident Transmitted

Transmitted

Incident

Reflected

Port1

Port2

S 21

S 11

S 22

S 12

a 1

b 1

b 2

a 2

DUT

图2-2 微波网络S 参数

微波网络常用散射参数（S 参数）表示。任何网络都可用多个S 参数表征其端口特性，对n 端口网络需要n 2个S 参数。如图2-2所示，DUT 称为被测器件（Device Under Test ），外部带箭头用来表示DUT 端口信号流向。当入射波a 1进入端口1时其中有一部分由于端口失配而反射回来，大小为S 11a 1；a 1其余部分经网络传输到端口2上成为出射波，大小为S 21a 1。同样，若有入射波a 2进入端口2，其中一部分也会因为失配反射回来，大小为S 22a 2；a 2其余部分经网络传输到端口1成为出射波，大小为S 12a 2。

因此用b 1、b 2分别表示端口1和端口2上所有出射波，有

?+=+=2221212

121111a S a S b a S a S b （2.3）式（2.3）中的S 11、S 12、S 21、S 22即为双端口网络的四个S 参数，被称为散射参

量，因此式（2.3）也被称为散射方程组。

S 参数的两个数字下标中，第一个代表波出射端口，第二个代表波入射端口。则S 11是端口2匹配时端口1的反射系数；则S 22是端口1匹配时端口2的反射系数；S 21是端口2匹配时的正向传输系数；S 12是端口1匹配时的反向传输系数。所有S 参数同时包含幅度和相位信息。

由S 参数可以推导出其他网络参数，如电压驻波比、反射系数、阻抗、回报损耗等反射参数，以及增益、衰减、传输系数、相移。群时延等传输参数。各表达式如下：

1.反射参数：

电压驻波比：11

1111S S VSWR -+=

或22

2211S S VSWR -+=

反射系数：端口1 11S =Γ；端口2 22S =Γ 阻抗：端口1 11110

11S S Z jX R Z -+=+=；端口2 22

011S S Z Z -+=

回波损耗：端口1 111lg 20S RL =；端口2 22

1lg 20S RL = 2.传输参数：增益：21lg 20S G = 衰减：2121

lg 201

20S S A -== 传输系数：正向21S T =；反向12S T =

传输相移：正向21arctan S =?；反向12arctan S =? 群延时：ω

τd d -

=（ω为角频率） 2.2网络分析系统

网络传输特性的测量是电路与系统设计最重要的工具之一。线性网络的频率特性测量应使用网络分析仪(Network Analyzer ，简称NA)实现。网络分析仪能够完成反射、传输两种基本测量，从而确定几乎所有的网络特性，散射参数是其中最基本的特性。现代网络分析仪，尤其是高频或微波网络分析仪，均以测量S 参数为基础，这是因为S 参量的测量是以网络分析仪的特性阻抗Zo 为参考的，较易获取宽带标推负载，所以在高额段上S 参量比其他参数更易于测量；而且由于所有参量都包含有关网络的相同信息，故任何一组参量总可以利用已测得的S 参量计算出来。它的出现替代了过去模拟测量滤波器、放大器的方法，使测量工作变得更为自动化和精确。

网络分析仪最常见的应用时进行双端口网络散射矩阵（S 矩阵）测量，如图2-1-2所示。基本的网络分析仪主要由信号源、S 参量测量装置及矢量电压表组成。通过信号源在端口1上对被测器件DUT 进行激励（入射波为1a ）

DUT

?????????=??????212221121121a a S S S S b b 1

a 1

b 2

图2-1-1 S 散射矩阵测量

信号源：向被测网络提供入射信号或激励；

S 参量测量装置：实际上是反射测量电路与传输测量电路的组合，首先将入射、反射及传输信号分离开，然后通过转换开关分别进行测量；

矢量电压表：测量入射、反射和传输信号的幅值及它们之间的相位差。也可以通过幅相接收机实现此功能。

单片机数据采集模块幅度/相位检波器

LPF AD9854

LNA MSP430F247参考时钟

LPF

LNA

图2-1-2 矢量网络分析系统

常见的网络分析仪分为标量网络分析仪和矢量网络分析仪两种。

2.2.1标量网络分析仪

标量网络分析仪是使用二极管检波器测量输入/输出DUT 的信号的最简单、最经济的途径。由于检波器无法获得相位信息，因此只能测得S 参数的幅值，故名标量网络分析仪。其实对很多应用场合，仅有幅度值已经足够了。

图2-2-1所示为一个标量网络分析仪的系统框图，图中入射波为1a ，反射波为1b ，传输波为2b ，它们的测量通道分别为R(参考)、A 、B 。通过这些信号可以确定正向S 参数11S 、21S 。再将被测网络的激励端与测试端反接，同理可测得21S 、12S 。

DUT

定向耦合器

扫频源

a 2

b 2

b A

处

理及显示

二极管检波器

图2-2-1 标量网络分析仪系统框图

2.2.2矢量网络分析仪

能够测量复S 参数的仪器就是矢量网络分析仪。如图2-2-2所示的是一种超外差式矢量网络分析仪组成框图。图中PFD 为相频检波器（Phase Frequency Detector ），H(s)为环形滤波器（Loop Filter ）。BPF 为带通滤波器（Band Pass Filter ）。它描述了这类网络分析仪的基本结构，实际上它实际上与超外差接收机非常类似。为了给出相位测量提供参考信号，信号源使用锁相环输出的本振来激励DUT ，该本振信号还同时用于频率变换中。参考信号即入射波，通过R 通道进行测量；反射波、传输波所在的测试通道分别为A 、B ；扫频源一方面为DUT 提供激励，一方面可以作为单独的扫频源输出通道S 。为获得复S 参数而进行的复数除法可以用硬件完成，但现在更多是采用对混频所得的中频信号采样和数字化，然后通过数字处理的方法实现。

扫频源

H(s)PFD

参考频率源

BPF

DUT

BPF

BPF 采样及量化

处理及显示

源输出信道S

传输测试信道A 传输测试信道B 参考信道R

图2-2-2矢量网络分析仪系统框图

第3章矢量网络分析仪硬件设计

3.1 总体方案设计

本系统主要由微控制器、跟踪信号源、多通道模数转换器、幅度/相位检测等四个部分组成，其系统框图如图3-1-1所示。

MCU

跟踪信号源

Multi-Channel

ADC

Mag Detector Phs Detector AD8302

PORT1

OUT

LPF AD9854

LNA MCU

参考时钟

LPF

LNA

Switch PORT2

Switch

接上位机

图3-1-1 矢量网络分析仪总体框图

图3-1-1为矢量网络分析仪总体框图，上位机在发出扫频指令后，微控制接收来自PC 端口的命令，控制跟踪信号源产生扫频控制信号，控制标准正弦信号的频率，频率范围为：1Hz~100MHz 。信号输出端PORT1与PORT2过同轴电缆与被测器件（DUT ）连接，同时在Switch 的作用下一对AD8302分别对反向传输特性参数S 12和正向传输特性参数S 21的幅度和相位进行测量，通过多通道ADC 采样后送至MCU 处理后，上传到PC 端显示。

相位累加器波形存储器 D/A 转换器低通滤波器 F out Phase ?

f clk

3.2 微控制器接口电路设计

本设计选用的是基于突破性的ARM Cortex-M3内核的STM32系列32位单时钟指令周期闪存微控制器，在主时钟72MHz ，指令速度可达到90DMIPS 。这是一款专为嵌入式应用而开发的内核。STM32系列产品得益于Cortex-M3在架构上进行的多项改进，包括提升性能的同时又提高了代码密度的Thumb-2指令集，大幅度提高了中断响应，而且所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。它提供了一个完整的32位产品系列，在结合了高性能、低功耗和低电压特性的同时保持了高度的集成性能和简易的开发特性。非常适合电池供电设计，能够满足低成本低功耗高可靠多外设等要求，而且32位ARM 软件开发具有开放性和扩展性的特点。在本设计中微控制器选用具有512KB Flash 存储器，64KB SRAM 的STM32F103ZET6，采用8MHz 无源晶体振荡器作为外部时钟输入，内部时钟锁相环9倍频，因此主时钟为72MHz ，电路图见附录一。

3.3 跟踪信号源

在无线电测量中，经常需要测量设备或网络的频率特性，矢量网络分析仪用于测量二端口线性非时变网络的频率特性，包括幅频响应和相频响应。频率特性测量的关键是产生频率步进的信号源，该信号源的频率、幅度及相位应能精确测定。以往的跟踪信号源大多是基于压控振荡器(VCO)、函数发生器及锁相环(PLL)技术。这些技术存在转换频率时间长、频率精度不高、硬件耗费比较大等问题。随着超大规模集成电路的迅速发展，由单片微处理机和直接数字频率合成(DDS)芯片为核心构成的DDS 跟踪信号源应运而生。与其它频率合成方法相比，DDS 技术的主要优点是：分辨率高；频率转换速度快；频率切换时相位保持连续；合成频率准确；全数字化控制；可与微处理器接口。DDS 对信号质量的改善在于其系统的相位噪声主要取决于参考时钟振荡器，基本不受系统其他部分的影响。现在，DDS 技术已经广泛应用于本振、信号发生器、仪器、通信、雷达等系统。因此采用DDS 芯片作为矢量网络测量系统中的频率合成器，必将大大提高整个系统的性能，成为理想的选择。

3.3.1直接数字频率合成(DDS) 技术

直接数字频率合成DDS (Direct Digital Synthesis)，是一种新颖的频率合成技术。其基本结构如图3-3-1所示。

图3-3-1直接数字频率合成基本结构

这种技术的实现依赖于高速数字电路的产生，目前，其工作速度主要受DDS 变换器的限制。DDS 技术就是利用正弦信号的相位与时间呈线性关系的特性，通过查表的方式得到信号的瞬时幅值，从而实现频率合成。为了输出一定频率的信号，在每一个时钟周期中，存储在频率/相位字寄存器中的相位增量值Phase ?被送到相位累加器中，输出的结果送入正弦、余弦函数表中，通过查询将相位信息转换为对应的正弦幅度值，产生数字化正弦信号。相位增量值Phase ?与输出信号频率f out 和clk f 参考时钟频率之间的关系为：

clk N out f f Phase )2(?=?

120-≤?≤N Phase （3.1）

式中，N 是相位累加器的字长。由公式（3.1）知，相位增量值Phase ?与输出信号频率out f 成正比。

由取样定理，DDS 所产生的信号频率不能超过时钟频率的一半，在实际运用中，为了保证信号的输出质量，输出频率不要高于时钟频率的33%，以避免混叠或谐波落入有用输出频带内。跟踪信号源频率分辨率setp f 直接取决于DDS 的频率分辨率

f ?，计算公式如下

N clk f f 2=? （3.2）

f M f setp ??= 121-≤≤N M （3.3）

3.3.2跟踪信号源的设计

矢量网络分析仪用来测量二端口线性时不变网络的频率特性。频率特性是一个网络对一系列正弦输入信号的响应特性。被测网络输入幅度为i A ，角频率为ω的正弦信号，对于线性时不变网络，其稳态输出也是正弦信号，幅度为o A ，角频率为ω，相角差为o Φ。改变ω的大小，可以得到一系列的输入和输出数据，其中，幅频特性

)(ωA 和相频特性)(ωΦ统称为频率特性。网络分析仪中的跟踪信号源为被测网络提

供激励，根据测量要求，需产生一系列频率精度高、转换速度快、步进小、相位可控、频率转换时相位保持连续的正弦波。

本设计扫频范围为10Hz~120MHz ，采用美国AD 公司的DDS 芯片AD9854，用微控制器作控制器，实现频率的合成与控制。AD9854数字合成器是高集成度的器件，它采用先进的DDS 技术。AD9854的DDS 核具有48位的频率分辨率（在300M 系统时钟下，频率分辨率可达1uHz ）。输出17位相位截断保证了良好的无杂散动态范围指标。器件有两个14位相位寄存器和一个用作BPSK 操作的引脚。具有改进DDS 结构的12位I 和Q 通道D/A 转换器可以提供较大的带宽并有较好的窄带无杂散动态范围（SFDR ）。300M 系统时钟通过配置内部锁相环为20X ，由较低的外部15.000MHz 有源晶振得到。

采用单片微处理机对DDS 进行控制，构成跟踪信号源的电路非常简捷，其电路方框图见图3-3-2（电路图见附录二）。

LPF AD9854LNA

MCU 参考时钟

图 3-3-2 扫频信号源系统框图

该电路由微控制器、DDS 、参考时钟、低通滤波器(LPF)和宽带放大电路组成。低通滤波器是跟踪信号源中的关键部分，负责滤除输出信号中所含有的高频杂散信号和谐波信号，输出纯净的正弦波。DDS 的输出杂散有三个主要来源：N 比特相位累加器只输出高M 位对ROM 进行寻址；ROM 存储的幅值编码仅为有限位；DAC 的有限分辨率和非线性特性；DDS 的输出包括基本脉冲谐波谱，出现在下列位置：

out clk f Kf ± L K 3,2,1= （3.4）

本设计中，最高频率输出是120MHz ，采用了300MHz 的参考时钟，使谐波信号频率远离输出信号频率，减小对低通滤波器的要求。这里设计了一个9 阶椭圆低通滤波器，取得了较好的效果，电路图如图3-3-3。仿真结果见图3-3-4与3-4-5宽带放大器选用低噪声运放，对DDS 输出的信号进行放大，以达到跟踪信号源的要求。AD9854是超大规模CMOS 器件，对时钟信号的质量要求比较高，时钟信号波形应良好，时钟信号用地线屏蔽；要考虑良好的去耦电路。模拟电源引脚选用一片1uF 和一片0.01uF 的 MLCC 并联作为退耦电容，数字电源选用一片0.1uF 的MLCC ，并且尽可能靠近器件均用磁珠连接。注意良好接地，模拟地、数字地分开，利用磁珠隔离。选用ST 公司生产的低功耗处理器STM32F103ZET6对DDS 的逻辑和输出信号进行实时控制。

2.2nF

680pF

330pF

82pF

30.97nH

97.17nH

182.8nH

347.4nH

56pF

120pF

180pF

330pF

VP1

图3-3-3 120MHz 9th

椭圆滤波器原理图

图3-3-4 120MHz椭圆滤波器仿真图（一）

图3-3-5 120MHz椭圆滤波器仿真图（二）

由图中可以看出滤波器的通频带为，插入耗损约为-1.7dB，阻带衰减大于-40dB。

3.4 幅度/相位检测电路

在这部分电路中，选用了ADI公司的AD8302 的首款RF/IF幅度和相位测量的单片集成电路，它能同时测量从低频到2.7GHz频率范围内两输入信号之间的幅度比和相位差。该器件将精密匹配的两个对数检波器集成在一块芯片上，因而可将误差源及相关温度漂移减小到最低限度。该器件在进行幅度测量时，其动态范围可扩展到60dB，而相位测量范围则可达180度。

AD8302具有以下主要特点：

● 可在低频到2.7GHz 频率范围内测量幅度和相位；

● 对于50Ω的测量系统，其输入范围为-62dBm~-2dBm ；

● 精确幅度测量比例系数为30mV/dB ，精确典型值小于0.5dB ； ● 精确相位测量比例系数为10mV/度，精确典型值小于1度； ● 该器件在操作时，具有测量、控制和电平比较三种工作方式； ● 带有稳定的1.8V 基准电压偏置输出； ● 视频带宽响应为30MHz ； ● 采用2.7~5.5V 单电源工作；

图3-4-1所示是AD8302的功能结构框图。它主要由精密匹配的两个宽带对数检波器、一个相位检波器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器组成。

图3-4-1 AD8302结构框图

AD8302 的幅度和相位测量原理主要基于对数放大器的对数压缩功能，其一般数学表达式为：、

)/log(Z IN SLP OUT V V V V = （3.5）

其中，IN V 为输入电压，Z V 为截距，SLP V 为斜率。

AD8302 正是利用上述对数放大器的对数压缩原理，并通过精密匹配的两个宽带对数检波器来实现对两输入通道信号的幅度和相位的测量，其幅度和相位测量方程式如下：

)/log(INB INA SLP MAG V V V V = （3.6） )]()([INB INA PHS V V V V Φ-Φ=Φ （3.7）

其中，INA V 和INB V 分别为A 、B 两通道的输入信号幅度，SLP V 为斜率，MAG V 为幅度比较输出，PHS V 为相位比较输出。

AD8302幅度和相位测量芯片在操作时主要有测量、控制和电平比较三种工作方式，但其主要的功能是测量幅度和相位。当芯片输出管脚MAG V 和PHS V 直接跟芯片反馈设置输入管脚M SET 和P SET 相连时，芯片的测量模式将工作在默认的斜率和中心点上(精确幅度测量比例系数为30mV/dB ，精确相位测量比例系数为10mV/度)。实际上，在测量模式下，电路的工作斜率和中心点是可以通过管脚M SET 和P SET 的分压来加以修改的。

通常在低频条件下，对幅度和相位进行测量的方程式如下：

CP INB INA SLP F MAG V V V I R V +=)/log( （3.8）

CP INB INA F PHS V V V I R V +?-Φ-Φ-=Φ)90)()(( （3.9）

在幅度测量方程中，SLP F I R 表的斜率为30mV/dB ，在中心点900mV 处，其增益为0dB ，-30dB~+30dB 的增益范围对应于0~1.8V 的输出电压范围；而在相位测量方程中，ΦI R F 代表的斜率为10mV/度，中心点900mV 所对应的相位为90度，0~180度的相位范围对应于1.8~0V 的输出电压范围。

由于AD8302将幅度和相位测量集中在一块芯片内，使得幅度和相位测量更加方便，由AD8302构成的幅度相位检测电路，如图3-4-2所示。其中正向传输参数幅度/相位测量单元的J1和J2 SMA 连接器分别与被测器件的输入和输出端连接，反向参数幅度/相位测量单元的J1和J2分别与被测器件的输出和输入端连接，VMAG 和VPHS 分别为幅度和相位测量输出，VREF 为参考电压输出。

C OM M 1C OM M 7INPA 2OFS A 3VPOS 4OFS B 5INPB 6

PFLT 8VPHS 9PSET 10VREF 11M SET 12VMAG 13M FLT

U1AD8302

C 810nF

C 310nF

C 710nF

C 410nF

C 510nF C 610nF

R 149.9R 249.9

C 910nF

+C 110uF

L1100u H

R 30

C 2100n F VCC

VMAG VREF VPHS

J1SM A

J2SM A

图 3-4-2 幅度相位检测电路原理图

3.5 模数转换电路

由于AD8302的相位测量为10mV/度，为了达到分辨率0.01°，在2.5V 参考电压下，必须选用15位以上的ADC 才能满足性能要求，由于失调误差、增益误差、线性误差、噪声干扰和温度漂移等原因的影响通常的16位ADC 在实际并不能达到16为有效分辨率，这里选用的ADS1217是一个8通道输入内置缓冲器和程控放大器以及DAC 的24位Delta-Sigma 模数转换器，工作范围从2.7V~5.25V ，24位无丢失码位数，22位有效分辨率。

由ADS1217组成的A/D 转换电路如图3-5-1所示，模拟部分采用5V 电源，数字部采用3.3V 电源。使用内部2.5V 基准源，将基准电压正参考输入端VREF+与基

准电压输出引脚VREFOUT 相连，基准电压负参考输入端VREF-与模拟地连接。 VRCAP 通过F 1.0基准源滤波电容C2到地。ADS1217的时钟源则通过外部一颗2.4576MHz 的无源晶振与XIN 和XOUT 引脚连接，电容C1、C7为了确保晶振启振以及保持频率稳定。抑制数字部分噪声通过地平面影响模拟部分，这里将模拟部分与数字部分隔离，中间通过电感单点接地。

为了确保ADS1217能达到最佳性能，确保系统稳定工作。该设计中采用下述方法减少干扰，避免自激，提高放大器的稳定性：

1.PCB 设计上进行电磁兼容处理。严格按信号走向布局布线，缩短信号回路，将3W 规则和地线隔离高频信号的方式结合，减少信号的串扰，通过磁珠吸收电源上的干扰，提高系统信噪比，增加系统抗干扰能力，提高了系统稳定性。

2.模块布局合理。将各个器件按照信号走向放置，并减小器件之间的连接线长度，减小系统干扰。

D 0

D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7AVDD

1AGND 2AIN03AIN14AIN25AIN36AIN47AIN58AIN69AIN710AINCOM 11AGND

A V D D 13V R C A P

14I D A C 115I D A C 2

16R D A C 17D G N D 18B U F F E N 23R E S E T

D G N D 19D G N D 20D G N D 21D G N D

22XIN

XOUT 26PDWN 27POL 28DSYNC 29DGND 30DVDD 31DRDY 32C S 33SC LK 34DIN 35DOUT 36D 0

D 138D 239D 340D 441D 542D 643D 744A G N D

45V R E F O U T 46V R E F +

47V R E F -48U1

ADS 1217

R 1

R ES

AGND

DGND AGND

AGND

AIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7AINCOM

C 910nF

+C 610uF

C 8100n F

+5VA

AGND

C 510nF +C 310uF

C 4100n F

+3.3VD

DGND

2.4576MHz C 112pF C 712pF

XOUT

XIN

XOUT XIN

+3.3VD AGND

+5VA GND DOUT DIN SC LK C S DRDY DSYNC POL

PDWN L1

+5V A C 20.1u F

AGND

I D A C 1I D A C 2

B U F F E N R E S E T

图3-5-1 24位模数转换电路原理图

3.6 Switch 电路设计

为了实现矢量网络分析仪在不用拆下被测器件手动连接的情况下自动测量反向传输参数S 12、正向传输参数S 21，设计中利用欧姆龙公司的G6W-1P-3，它是一款表贴2.5GHz 高频继电器。在0~120MHz 范围内，最大插入耗损0.025dB ，隔离度大于80dB 。电路图如图3-6-1所示。

Q29011

R 121K

G6W-1P

D21N4148

R 115.1R

C 10

100u F

OUT

POR T1

C TR L_2

图3-6-1 Switch 电路原理图

第4章矢量网络分析仪软件设计

矢量网络分析仪软件设计分为PC 机应用软件设计和下位机编程两部分，PC 机通过RS-232端口与微控制连接，波特率9600bps 。微控制器实现相关设置、控制、查询等功能，并由PC 机应用软件提供人机界面，实现扫频范围、端口设置、显示测量结果等功能。

控制面板的程序分支结构如图4-1所示，由3个模块构成。包括一个主界面（From1.frm ）、端口设置模块（PortSet.frm ）、频率设置模块（SignalSet.frm ）。每一个模块对应一个窗口。

主界面(Form1.frm) 信号源设置(SignalSet.frm)

端口设置(PortSet.frm)

图4-1 主程序分支结构图

4.1 PC 机应用软件设计

4.1.1 VB 程序界面设计

矢量网络分析仪的控制面板如图4-1-1所示：主要完成信号源设置，测试执行状态显示、仪器连接状态显示、工作时钟设置、仪器功能设置、测试控制等功能。

矢量网络分析仪毕业论文

相关文档

最新文档