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19年电赛D题硬件详解

news 2025/8/28 7:08:49

前言

我和我队友是整个学校第一组准备电赛信号题的队伍 ,所以过程非常艰难,这是一条没有人走过的路 ,我想信号题与其他题目的区别就在于 ,信号题你没玩过没整过 ,那是真不会啊 ,真不懂啊 ,你可能题目都看不懂 ,但是控制类的题目相对而言比较好入门 ,不谈能不能做出来,题目你至少是看得懂的 ,你说呢?

最近和队友又复刻了一个赛题,19年的D题简易电路特性测试仪,我负责硬件部分的搭建,而他负责软件部分的代码编写,这是我们复刻的第几道赛题已经忘记了 ,记得第一个题目是20年的三极管非线性失真研究装置,当时什么都不会,一切从零开始做,吃了很多苦搞了1个月才整出硬件部分来,有点可惜没写文章记录一下 ,但是当时软件部分也压根不会整 ,什么FFT什么DSP库根本不懂 ,后来自己慢慢摸索 ,看了几本书 ,慢慢的进行了解了之后就逐渐的懂了一点,所以我想说的是,如果你们学校没有师兄或者老师搞这些的话,靠自己可以做 ,但是会很艰难 ,会吃很多苦也会走很多弯路 ,压力会很大 ,好了不说这么多了 ,说多了都是泪啊 . 下面进入正题

这题开始做的时候很多东西还没准备好,或者说很多东西没想到,所以基本上都是用洞洞板搭建的 ,上面硬件电路都是自己设计的,大概做了2周左右的时间,测量结果还是比较精准的 , 进阶部分没有全部完成 ,测量那些太花时间了 , 也许这就是这题的难点吧 ,找到不同故障的特点 .

先看题目

先看"全家福"与总方案

适合的读者

如果你刚开始做这道题 ,建议是不要看下面的内容了 ,看了之后大概率你会觉得讲得非常糟糕 ,我的建议是至少做了一两天了再来看 ,这样你至少能看懂我在说什么 ,不会说这讲了个啥玩意 ,如果你是个高手 ,那当我没说吧.

大致

题目要求我们做一个电路特性的测试仪 ,要求测量的电路特性有输入电阻输出电阻 , 增益以及幅频特性曲线 ,输入电阻测量可以使用串联电阻的方法实现 ,输出电阻测量可以使用带载的方法实现 ,增益就是放大倍数做底数为10的对数运算再乘上20就是增益 ,幅频特性曲线就是相应频率对应的幅值 ,这里主要介绍硬件部分的实现方法 ,软件部分是另外一个队友做的 .
实际上只要把整个硬件电路搭出来剩下的就是软件的事情了 ,发挥部分就是通过输入电阻输出电阻 , 相位变化 , 增益变化来找到对应的故障点实现检测 .每一个元件的故障都有唯一对应的变化 ,总共14中故障对应14种判断 .

方案

说到方案那也是一波三折 , 改了又改 , 整个电路搭了一遍又一遍 ,最终还是通过软件的方法解决了 , 我们的方案就是用DDS AD9833进行信号的输出1k的测试信号与扫频信号 , 这里需要注意的就是AD9833的输出阻抗相对而言还是比较大的 , 200Ω左右 ,如果后级阻抗不够大的话会导致电压信号的衰减 ,所以要确保后级阻抗足够大 ,对于这个电压信号才能够比较好的传递到下一级去 .下一级的输入阻抗最好是上一级输出阻抗的1/20 ,这个比值越小越好这样能够比较好的传递电压信号

下面我不会一下子就给出正确的方案 , 我想从错误的开始进行讲解 , 毕竟网上正确的方案一大堆 , 但是自己做的时候总是有各种各样的问题, 所以正确的不重要 , 怎么做到正确以及在这个过程中收获了什么才是最重要的 ,对吗?

好的 ,下面我将从第一个方案开始进行修改 , 你会看到每一个方案的改进与取舍以及为什么这么进行修改 , 当我写这篇文章的时候已经是做完这道题几周之后了 , 为什么当时做完了没写 , 因为忙其他事去了 .

Version1.0:

我们的第一个版本和上面的差不多 , 和网上的一个方案挺像的 ,没错我们就是看他的 ,方案是没错的 ,在输入之前加上衰减器 ,在输入端与输出端都加上继电器实现Rs电阻与RL电阻的断开与闭合工作 , 这样使用两个ADC读取闭合与断开操作之后的电压值

问题

但是当时我们用的是射频衰减器所以实际上在低频的时候存在衰减 , 不过巧合的是当时的数据能够算出来输入电阻是2.5k左右 ,符合要求 ,我想这真的是个巧合了 , 射频衰减器的这个问题找了挺久的 ,一直以为硬件搭错了 ,为此没少被软件的催促 , 重新搭了之后还是有问题 , 没想到是模块有问题 , 这是我们遇到的第一个坑 ,以后要注意购买模块的使用范围 .
后面干脆一点自己搭了一个衰减器进行信号的衰减了 , 为什么要使用衰减器呢 ,这个放大电路的交流放大倍数是很大的 , 大概有600倍左右 , 原因是在发射级那并上了一个电容 ,交流信号可以直接通过电容到地 .所以我们要先进行衰减 ,AD9833的输出摆幅是600mv , 直流信号加上交流信号 , 总体看上去都是正的 , 大概300mv的交流加上300mv的直流信号.我们需要将其衰减40倍才能够看到正常的放大波形 , 同时这个电路的输出也是有直流信号的 , 而且幅值比较大 ,真正的交流信号才2V左右 ,具体的已经不记得了 .

信号衰减

至于信号的衰减 , 我提出用衰减器 , 软件的队友说把Rs用一个大电阻来做 , 我说哪有人用大电阻当作为衰减的 ,他不服 ,非要给我试试 , 这样结构就变成了AD9833到大电阻到特定放大电路 , 事实证明输入到三极管放大电路的峰峰值确实变成20mv了 ,但是上面还有300mv的直流信号 , 虽说特定放大电路输入端有电容 ,只有交流信号才会被放大 , 但是你采样的时候还要先进行去直再放大进行采样 , 比较麻烦 , 同时大电阻带来大噪声干扰测量 ,最终没有使用这个方案

网上关于衰减器的做法有很多 , 最简单的是使用电阻分压来完成 , 缺点是阻抗不好控制 , 所以最好使用运放来做 , 这里也有两种方法 , 第一种是让信号在输入运放前进行衰减 , 第二种是搭建衰减网络 , 用反向比例器 ,选择好反馈电阻与增益电阻的值 ,就能得到衰减后的信号 ,这里也不讲了 ,网上也有很多 .

此时AD9833的信号通过衰减实际上可以当做一个新的信号源 , 在Rs之前与Rs之后进行ADC采样 , 但是需要注意的是首先进行固定增益的放大 , 然后进行电压抬升 ,符合ADC输入电压的范围进行采样 , 通过计算就能得到输入电阻的值

公式不再多说 ,其实下面的高通滤波器与跟随器不就是一阶高通有源滤波器吗?当时我还没反映过来 ,因为还没学 ,但是竟然直接搭出来了 ,就好像是数学公式还没学 ,但是你能够通过前面学得知识直接推导出后面的公式 ,其实就是同相端加上一阶高通 ,反向端配置好Rg与Rf , 不懂的可以去看我的另一篇文章 , 链接在下面 .

有源滤波器及其实现方法_如何用滤波器对方波进行有源滤波-CSDN博客

Verion2.0

截止频率

下面是改进的方案 , 可以看到去直跟随就是一阶有源高通滤波器 , 需要进行注意的点在于截止频率的设置与电阻的选取 , 当输入信号频率>>截止频率时 ,输入阻抗约等于电阻的值 ,这里要注意前后级的阻抗匹配 , 通常来讲截止频率的设置大概是系统感兴趣的最低频率的1/10 , 熟悉吧 ,就是杨建国老师的新概念模电 ,我们这里系统感兴趣的最低频率是1k ,所以截止频率设置为100Hz左右是比较好的 ,电阻一般不要太大 ,1k左右 ,电容的值就可以计算了 , 这里由于AD9833的输出阻抗200欧姆 , 我实际上是用了一个100k的电阻的 ,比较好的做法是用1k的电阻 ,前面在加上一个跟随器 , 这样AD9833与跟随器就组成了一个新的信号源 ,输出阻抗就与运放有关 ,一般来讲都很小

为什么要把去直跟随器接到AD9833的输出端呢?

主要的原因在于这样接后面再ADC进行采样的时候就只需要进行电压的抬升就可以了 ,如果不这么做就需要加上两个有源一阶高通了 ,增加了电路的复杂度

新问题

下面是输出部分 ,实际上就是带载与不带载的输出电压的差别 , 这里采用上面那种接法的时候 , 你的ADC3是检测不到差异的 ,不论带载还是不带载 , 原因在于这个去直跟随器 ,他的输出阻抗非常小 , 下一级的继电器又有输入阻抗 ,不论多大 ,对于前级都已经足够大 ,相当于所有电压加在继电器上 ,RL的影响已经微乎其微了 ,这里也侧面说明运放的输出阻抗确实是非常小的 , 改进之后如下所示

Version3.0:

采样

去直跟随与继电器这样并联了 , 去直跟随的输入阻抗相比于继电器来讲很大 ,所以说采样就对原电路没有影响 ,接上负载RL与断开RL此时就是有影响的 ,至此基本上的硬件结构就已经给出来了 .按照这个方案做大致上是不会出现问题的

噪声

需要注意的点在于信号衰减之后 ,在示波器上看衰减之后的信号由于只有20mv ,大概率能看到信号与噪声 ,本来峰峰值是20mv的 ,但是示波器上能看到40mv的峰峰值 ,这就是我搭了一遍又一遍的原因 ,实际上可以通过软件解决 ,或者直接进行放大 ,当然了 ,软件上做FFT得到1K基波的幅值能够更加精准的计算得到输入电阻与输出电阻 .网上给出的方案都没有提到噪声与FFT计算基波幅值 ,不知道是为什么 .