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  • 2024-03-20 14:06:17 阅读量:1433

瑞萨MCU杯第八届立创电子设计开源大赛正式落幕,最终获奖项目正式出炉!本文介绍的是:本届大赛三等奖项目|S21|参数测试仪

本文作者:瑞萨MCU杯第八届立创电子设计开源大赛选手@poker173禁止商用,未经许可禁止转载


1、项目功能介绍

项目背景:本人作为一个电子科学与技术专业的学生,出于兴趣和学习的目的,经常制作一些射频电路,如LC滤波器、微带滤波器、低噪放大器等。这些电路的工作频率范围通常在几百兆到几个GHz之间,使用传统的示波器、信号源等仪器难以测试,且射频测量仪器通常都过于昂贵,比如网络分析仪通常需要几十到几百万元不等。由于我暑假在家没有这些仪器,同时又想验证一些滤波器的频率特性,于是我制作了一种低成本的S21参数测试仪,将测试成本控制在三十元以下。


主要参数:

测量带宽 140MHz ~ 4400MHz。

输入功率范围 10dBm ~ -50dBm。

单频点扫描速度 0.2ms。

输出功率 0dBm。

输入输出阻抗 50欧姆。

项目功能:用于测量网络的频率特性曲线,也可以作为功率计,扫频信号源使用。

 

2、硬件部分

2.1硬件部分设计与器件选型

该项目的硬件部分采用嘉立创EDA(专业版)设计。主控芯片采用stm32f103c8t6,锁相环扫频电路采用adf4350芯片,检波电路由AD8315和瑞萨的EL8101IWZ运放构成。采用USB Type-c接口供电,波形显示采用TFT屏幕,分辨率为128*160 。

2.2硬件实现原理

对于二端口网络的四个S参数的物理意义为,Sij代表的意思是能量从j口注入,在i口测得的能量,如S21定义为端口2匹配时,端口1到端口2的正向传输系数(增益)。即S21=b2/a1,当a2=0时。其中b2为端口2的出射功率,a2为端口2的入射功率,a1为端口1的入射功率。

以下电路系统框图用于实现b2,a1参数的测量以及波形的显示。


2.2.1检波器设计

其中检波器部分采用AD8315对数据检波器,该芯片本来的用途是用于检测输出功率来调整射频功率放大器的增益系数,使得射频功率放大器线性输出。但查询数据手册,考虑到其检波线性度较高,可以缩短参数矫正调试的时间周期,且价格低廉,所以采用它作为该设计的检波器。



数据手册中提到,该芯片的精确测量标度在0.1G~2.5G,实际上经过我后期的测试,该芯片也可以用于测频率高达4G的射频信号功率,但是高于2.5G之后的检波线性度较差,检波电压与输入频率成指数衰减,造成这种情况的主要原因有芯片自身的原因,同时也包括板材的原因,我使用的是立创FR4四层板结构。损耗角正切在0.019左右,4G的信号在微带线上的传输会有一些衰减。

检波电路设计如下


其中EL8101IWZ是瑞萨公司设计的一款运算放大器,增益带宽积为100MHz,压摆率为200V/us,有着非常优秀的运放响应速度,符合该设计中扫频ADC采样的标准,达到高精度低时延,提高该设计中检波器的线性度和稳定性。

2.2.2锁相环设计

扫频模块采用ADF4350设计



ADF4350的输出频率在137MHz至4400MHz之间,该芯片通过内部的压控振荡器配合分配器实现不同频率的输出。该设计采用SW引脚连接至环路滤波器形成拓扑结构,该电路为ADF4350的快速锁相模式,锁相时间约为0.2ms,要想进一步降低锁相时间,可以通过增大环路滤波器的带宽、配置相应的寄存器实现,理论上最小锁相时间可以达到几十个us的级别,但是对于该设计来说0.2ms是相当足够了。

2.2.3输出匹配网络设计

输出匹配网络采用7阶的椭圆低通滤波器,用于实现1端口的阻抗匹配。


低通滤波器的目的可以抑制锁相环分频产生的高次谐波,从而使得检波器输入的频率单一。实际上经过后期调试,在低频窄带测量频率特性时可以使用该电路,如140MHz至420MHz之间的测量,或是420MHz至1260MHz之间的测量,该电路可以提高低频测量的准确度,但滤波器参数需要自己合理设置。也可以不使用滤波器,将L14、L15、L16三个电感用0R电阻代替,其余器件不接,这样也是可以的。

2.2.4其余部分电路


其余部分电路有,stm32f103c8t6最小系统,使用了一个ADC通道、一个DMA、两个硬件SPI接口等。功能选择旋钮采用EC11B15242B1,这些电路较为简单不做过多描述,详细原理图见附件。系统总电源输入为5V降压至3.3V给各个电路供电。

2.3PCB设计

PCB板材为立创四层板采用RF4板材,厚度为1.6mm,方案为JLC04161H-7628。阻抗匹配采用嘉立创阻抗计算神器计算。



计算得到50欧姆的微带线宽度为13.75mil 。

PCB尺寸为70*36,恰好与TFT屏幕重合,采用4个2MM铜柱用于屏幕的固定。



顶层与底层为信号线,中间两层为地平面。采用四层板的好处在于地平面完整,信号的干扰小,且地平面与微带线距离近,利于做阻抗匹配(当其他条件一致时,微带线距离地平面越近,所需要的微带线宽度越小),同时也减小了射频信号在介质中的损耗。若需要将其改为两层板,建议采用1mm板材厚度,微带线宽度设置为60.5mil,且背面尽量少走线,保证地平面的完整性。

实物图如下所示



2.4使用规则

该设计上电之前需要将端口1与端口2使用50欧姆同轴线缆相连接,该设备在上电开始时会自动进入校准模式,校准完成之后波形会变为一条直线如下图所示。



其中左侧为频率值的参考坐标轴,绿色光标所指的频率以及功率参考量在屏幕下显示,分别为Freq和Power。光标可以通过旋转编码器旋钮来移动。StarF为起始频率,StopF为终止频率,按下编码器旋钮可以对StarF和StopF进行设置,按第一下StarF变为红色此时可以旋转编码器旋钮设置起始频率,按第二下StopF变为红色此时可以旋转编码器旋钮设置终止频率,按第三下界面恢复正常此时可以移动光标。效果如下图所示



默认步进10Mhz,可以通过长按编码器旋钮来切换步进精度为1Mhz。

长按编码器旋钮5s以上可以将设置的起始和终止频率保存至flash中,掉电不丢失。效果如下图所示


2.5作品测试与验证

测试采用了两个滤波器以及一段共面波导



该测试板采用嘉立创FR4四层板,其中第一行为50欧姆阻抗线,第二行为椭圆低通滤波器,第三行为椭圆高通滤波器。第一行采用了PCB的顶面和底面,第二和第三行采用的是PCB的顶面和第二层。



所以它们的线宽度不一样。

将该设备的频率测量范围设置为150Mhz至2050Mhz,测试以上三个电路,该设备的测试结果分别为。


可见测试结果能明显分辨出匹配阻抗线、低通滤波器与高通滤波器之间的频率特性差异,且可以测量出截止频率,如低通滤波器的截止频率为326MHz,高通滤波器的截止频率为774Mhz,与目标设计的参数相近。

事实胜于雄辩。

暑假之后我从回此地,为的就是再次验证它们的参数。

这次使用的测试仪器为中电41所的AV36580A矢量网络分析仪,起始频率设置为150MHz,终止频率设置为2GHz,得到如下结果。



得到的截止频率为325.75MHz和779.MHz,与我之前所测得的截至频率差距不大,绝对误差小于4MHz。

与专业的矢量网络分析仪对比,该项目所设计的S参数测试仪,在波形上存在些许一致性,比如截至频率、拐点等,但是在纵轴的坐标比例上有些差异,这些差异的原因主要来源于检波器的非线性和锁相环的一些三次谐波分量造成的,未来可以通过对软件的校准和硬件的改进,使其达到更高的标准。总体来说,该项目所设计的S参数测试仪可以粗略的得到|S21|参数,且成本低廉便于携带,适合于初学者、业余人员、学生对于微波网络传输特性的简单测试。


3、软件部分

软件部分采用Keil uVision5软件编写,固件采用ST LINK烧录。

软件部分包括校准算法、波形、光标的实时显示算法,以及部分硬件的驱动,源代码在附件中给出。

软件的难点在于波形、光标的实时显示。下面将主要说明以下波形的显示原理。

考虑到锁相环需要一定的锁相时间,同时波形绘制也需要一定的时间,ADC的采用也需要一定的稳定时间。所以该程序的编写需要考虑其先后顺序,对于帧的数据可以分为前一帧和后一帧,而当前帧的数据又可以分为上一个ADC采样值和当前ADC采样值,于是程序中采用两个Buff用于存储两个相邻帧的数据,程序框图如下。



在等待锁相环锁相的时间里,可以用于擦处上一帧的痕迹和绘制当前帧的痕迹,待锁相稳定后在读取ADC数据,该方法极大长度上的提高了时间利用率,使得波形的动态显示效果较好,同时ADC读取的数据值也相对稳定。代码实现如下图所示


其余代码难度不大均有注释,详情见附件源代码。


热门物料
型号
价格
MAX31865ATP+T/模数转换芯片ADC 12.95
LTM4644IY#PBF/电源模块 130.7
ADUM1201BRZ-RL7/数字隔离器 4.69
MAX31855KASA+T/ADC/DAC-专用型 8
DS3231MZ+TRL/实时时钟(RTC) 11.31
AD7190BRUZ-REEL/模拟前端(AFE) 37.95
AD623ARZ-R7/仪表放大器 11.23
MAX3232EEAE+T/RS232芯片 6.41
ADUM3160BRWZ-RL/隔离式USB芯片 21.98
AD620ARZ-REEL7/仪表放大器 20.91
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