频谱分析仪电路板

1、频谱分析仪电路板频谱分析仪电路板 的设计的设计 姓名：姓名：XXXXXX 专业班级：专业班级：XXXXXXXX 指导老师：指导老师：XXXXXX 目目 录录 一 引言 二 基本原理 三 重要芯片的原理及使用 四 设计过程 五 心得体会 一一 引引 言言 根据要求设计电路，对外界输进的信号，首先 由3个CA324运算放大器组成的电路对被测信对被测信 号进行信号预处理号进行信号预处理过程，在将信号输送到 AD573组成的模数电路模数电路中，对信号进行采样采样， 同时，由4046和4042组成的锁相环电路锁相环电路对采 样的信号进行一个同步触发同步触发的处理，从而消除 非周期采集的信号，将采样量化量

2、化后的周期信号 输送到有8031单片机组成的电路中进行编码编码 后，在由LCDT6963液晶屏上显示频谱信号。 二二 基本原理基本原理 1 频谱分析仪工作的基本原理及应用频谱分析仪工作的基本原理及应用 1.1频谱分析仪工作的基本原理频谱分析仪工作的基本原理 频谱分析仪架构犹如时域用途的示波器（如图1），面 板上布建许多功能控制按键，作为系统功能之调整与 控制，系统主要的功能是在频域里显示输入信号的频 谱特性。频谱分析仪依信号处理方式的不同，一般有 两种类型；实时频谱分析仪实时频谱分析仪(Real-Time Spectrum Analyzer)与扫瞄调谐频谱分析仪扫瞄调谐频谱分析仪(Sweep-

3、Tuned Spectrum Analyzer)。 图1 最常用的频谱分析仪是扫瞄调谐频谱分析仪，其 基本结构类似超外差式接收器外差式接收器，工作原理是输入信号输入信号 经衰减器直接外加到混波混波器，可调变的本地振荡器经 与CRT 同步的扫瞄产生器产生随时间作线性变化的振振 荡频率荡频率，经混波器与输入信号混波降频后的中频信号中频信号 （IF）再放大、滤波与检波传送到CRT 的垂直方向板。 1.2 频谱分析仪的应用领域频谱分析仪的应用领域 放大器增益、频率响应与被动组件性的测量放大器增益、频率响应与被动组件性的测量 主要运用在有线电视或通信系统中使用大量的放大器与分接器、 接头、同轴电缆等被动

4、组件，对信号进行事先的筛选，保证信号 的质量。 失真度测量失真度测量 由傅里叶级数得知，除了不失真的谐振波外，任何波形除基本波 外，都有高谐波的分量，依傅里叶级数展开，其对应的数学式显 示有无限多个谐波，而谐波在频谱分析仪则一览无遗。而示波器 无法测知信号的失真度，仅能显示信号波形与时间的关系，但频 谱分析仪由对应的谐波频谱，可准确地评估信号的谐波信号与振 幅，进而评估失真度的大小。 通讯监测通讯监测 无线通讯因频谱使用的规定，必须使用高频，经由天线收发信号， 使用频谱分析仪配合天线相当容易侦测目前通讯信号的强度与载 波的频率 2 Protel制板基本原理及应用制板基本原理及应用 EDA基本概

5、念基本概念 EDA（Electronic Design Automation,电子设计自动化电子设计自动化） 技术是利用计算机为工作平台进行电路自动化设计的一 项技术。按照层次划分，EDA包括系统设计与仿真，电 路设计与仿真，PCB设计与验证，集成电路板图设计、 验证和辅助测试，可编程数字逻辑电路设计技术等。其 中最基本最常用的是以最基本最常用的是以PCB设计为目的的电路设计、仿设计为目的的电路设计、仿 真和验证技术。真和验证技术。而Protel是一套在是一套在PC环境下的环境下的EDA电电 路集成设计系统，具有集成性与扩张性路集成设计系统，具有集成性与扩张性。（如图2）系系 统设计电路设计统

6、设计电路设计PCB设计系统仿真电路仿真功能验证和设计系统仿真电路仿真功能验证和 信号完整性分析信号完整性分析 图2 系统设计电路设计PCB设计 系统仿真电路仿真功能验证和信号完整性 分析 3 周期信号频谱测量仪原理周期信号频谱测量仪原理 信号 预处理 CA324运算放 大器 信号 采样 AD573 FFT信号处理 8031单片机 显示驱动电路 液晶 显示器 LCDT6963 同步 触发 4042和4046 组成锁相环 三三 重要芯片的原理及使用重要芯片的原理及使用 3.1 单片机单片机8031引脚图及管脚功引脚图及管脚功 能说明能说明 8031单片机是Intel公司生产的 MCS-51系列单片

7、机中无片内 ROM的一种，采用40引脚引脚的 直插封装，其中有2条专用于 主电源的引脚，2条外接晶体 的引脚，4条控制或与其它电 源复用的引脚，32条输入条输入/输输 出（出（I/O）引脚）引脚。除此外，其余 管脚是为实现系统扩展而设置 的。这些引脚构成8031单片机 片外三总线结构，即：地址总地址总 线、数据总线、控制总线线、数据总线、控制总线。 3.2 8031单片机的典型应用单片机的典型应用 用用8031单片机控制的数字钟单片机控制的数字钟 单片机控制，采用小时制计时，利用 开发机上的六个显示器来显示时、分和秒， 使用1端口中的1.0端口线实现整点报时功能； 使用3端口的3.0实现闹钟功

8、能。 双机的串行通信双机的串行通信 利用两片8031单片机实现两机间的信息串行通信， 数据逐位传送,优点是数据只需要一根数据线就能 完成传送，联结介质简单，成本低。 3.3 A/D转换器的概念及应用转换器的概念及应用 各种模拟信号转换为抗干扰性更强的数字信号，直接进入数各种模拟信号转换为抗干扰性更强的数字信号，直接进入数 字计算机上进行处理，存储并产生数字控制信号字计算机上进行处理，存储并产生数字控制信号,广泛用于 通讯、雷达、遥控遥测、医疗器件、生物工程通讯、雷达、遥控遥测、医疗器件、生物工程等领域。 3.3.1 A/D573转换器的工作原理转换器的工作原理 AD573是一个完整的10位位A

9、 / D转换器转换器，无需外部元件执行 转换。微处理器接口无需外接缓冲器或外设接口适配器。输 出数据的10位可以被理解为一个10位字或8and 2位字，该 性能保证与与+5伏和伏和-12 V或或-15 V电源供电。电源供电。提供的AD573是 一个版本符合MIL - STD883标准，指的是ADI公司军工产品 数据手册或电流/ 883B数据表的详细规格。 采用电压频率 转换法，由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控 制信号组成，工作原理是/F转换电路把输入的模拟电压转把输入的模拟电压转 换成与模拟电压成正比的脉冲信号。换成与模拟电压成正比的脉冲信号。 图5 电压频率式A/D转换原理框图

10、3.4运算放大器的概念及应用运算放大器的概念及应用 运算放大器核心是一个差动放大器，就是两个三极管背靠背连差动放大器，就是两个三极管背靠背连 着，共同分担一个横流源的电流着，共同分担一个横流源的电流。 3.4.1 CA324运算放大器的原理运算放大器的原理 该运算放大器由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输偏置电路，输入级，中间级，输 出级出级，其中输入级采用的是差动放大电路，中间级采用的是有 源负载的共射负载电路，用于提高放大倍数，输出级采用的是 互补对称输出级电路，主要用于提高电路驱动负载的能力，一 般认为实际运算放大器越接近理想运放就越好，即要求输入端 等效电阻无穷大，开环增益无穷

11、大。向输入，一个是反向输入。 正向输入的三极管放大后送到一个功率放大电路放大输出，如 果正向输入端的电压升高，那么输出自然也变大。如果反相输 入端电压升高，因为反相三级管和正向三级管共同分担了一个 恒流源，反向三级管电流大了，那正向的就要小，所以输出就 会降低，因此叫反向输入。一般而言，高速运放主要用于通信 设备、视频系统以及测试与测量仪表等产品；低电压/低功耗运 放主要面向手机、PDA等以电池供电的便携式电子产品；高精 度运放主要针对测试测量仪表、汽车电子以及工业控制系统等； 通用运算放大器应用最广，几乎任何需要添加简单信号增益或 信号调理功能的电子系统都可采用通用运放。 3.5 锁相环的概

12、念及应用锁相环的概念及应用 锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器 组成，可分为模拟锁相环和数字锁相环组成，可分为模拟锁相环和数字锁相环。 相环最初用于改善电视接收机的行同步和 帧同步，以提高抗干扰能力。20世纪50年 代后期随着空间技术的发展，锁相环用于 对宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控。目 前的应用集中在信号的调制和解调；信号 的调频和解调；第三信号频率合成电路。 3.5.1 4042锁相环的基本工作原理锁相环的基本工作原理 压控振荡器给出一个信号,一部分作为输出,另一部分通 过分频与PLL IC所产生的本振信号作相位比较,为了保保 持频率不变持频率不

13、变,就要求相位差不发生改变相位差不发生改变,如果有相位差的 变化,则PLL IC的电压输出端的电压发生变化,去控制 VCO,直到相位差恢复，达到锁频的目的，能使受控振 荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电 子电路。 3.5.2 74LS373数字锁相环工作原理数字锁相环工作原理 数字锁相环主要由相位参考提取电路、晶体振荡器、分 频器、相位比较器、脉冲补抹门等组成。分频器输出的 信号频率与所需频率十分接近，把它和从信号中提取的 相位参考信号同时送入相位比较器，比较结果示出本地 频率高了时就通过补抹门抹掉一个输入分频器的脉冲， 相当于本地振荡频率降低；相反，若示出本地频率低了 时就在分

14、频器输入端的两个输入脉冲间插入一个脉冲， 相当于本地振荡频率上升，从而达到同步。 3.6寄存器概念及用途寄存器概念及用途 寄存器是中央处理器内的组成部分，用来暂存指令、数 据和位址。同时也称他们为 “架构寄存器”。 3.6.1特点及原理特点及原理 寄存器分为内部寄存器与外部寄存器，位于CPU内部， 数量很少，仅十四个；它所能存储的数据不一定是8bit， 有一些可以存储16bit，对于386/486处理器中的一些寄 存器则能存储32bit数据；每个内部寄存器都有一个名字， 而没有类似存储器的地址编号。寄存器的功能十分重要， CPU对存储器中的数据进行处理时，往往先把数据取到 内部寄存器中，而后再

15、作处理。外部寄存器是计算机中 其它一些部件上用于暂存数据的寄存器，它与CPU之间 通过“端口”交换数据，外部寄存器具有寄存器和内存 储器双重特点。有些时候我们常把外部寄存器就称为 “端口”。 四四 设计过程设计过程 4.1 原理图绘制过程原理图绘制过程 4.1.1 放置元件和绘制电路图放置元件和绘制电路图 首先建立一个New database,命名为频谱分析仪电路设计.ddb（如 图6），新建一个新的频谱.sch文件。 4.1.2 设置元件属性设置元件属性 双击原理图中需要设置的 元件，在显示的 “Part/Attribututes”对话 框中设置元件属性。注意 Footprint指示元件 必

16、须 根据实际元件及电路需求 确定的封装形式。 （如图 7）单片机8031 4.1.3 生成电气规则检查和生成电气规则检查和SPICE netlist 执 行Tools/ERC命令，显示ERC设置窗口， 默认显示对话框中完成必要的设置，单击 OK按钮，系统执行电气特性检查。各项检 查无误后，执行Design/Create Netlist 命 令，默认显示对话框中完成必要的设置， 单击OK按钮，系统产生SPICE netlist文件 频谱.NET。 4.2 PCB设计设计 4.2.1 确定设置和确定设置和PCB板物理尺寸板物理尺寸 打开PCB 编辑器，执行Tools/Preference命令，显

17、示一个对话框，包括设计焊盘尺寸、过孔 大小和显示属性等。根据实际需求的电路 板物理尺寸，设计电路板禁止布线层和其 他机械层。 4.2.2 装入装入PCB元件库元件库 4.2.3 装入装入SPICE netlist 当前状态为PCB编 辑工作区，执行Design/Load nets命令后， 选中与要编辑的PCB对应的SPICE netlist。 （如图8） 4.2.4 元件布局元件布局 可选择自动布局和手动布局并执 行Auto Route下的All即进行自动的布线（如图 9）。如下： 4.3 绘图所遇的问题及解决方案绘图所遇的问题及解决方案 4.3.1绘制新的元器件绘制新的元器件 在库里找不到原

18、理图中的元器件时， 需要自行在文件.ddb中，执行File下的New，新建一个 文件.lib（如：图10），同时，安原理图的规格画出元 器件的LIB（如：图11）。如下： 4.3.2以库元件的以库元件的Footprints为标准为标准 对原理图进行电气检查时，经 常会出现FOOTPRINT没有填写或是填写错误，对于元器件 FOOTPRINT的填写具体的要参考库里加载的PCB中的元器件 FOOTPRINTS为标准。 4.3.3导线的连接导线的连接 当原理图电气检查后，出现错误时，首先应该检 查错误的元器件连线是用了Draw还是Place Wrie（如图12）.前 者是不导电的，后者则导电。 4.3.4加载元器件的加载元器件的Footprints 对原理图进行PCB设计时