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#第四届立创大赛#超外差频谱分析仪中的模拟同步调谐带通滤波器

创建时间:2年前

项目主题:自拟主题

描述

<p>注:*为必填项。</p> <p>【请在报名阶段填写 ↓】 *  简要介绍作品:          频谱仪分析仪作为射频重要仪器,不仅可以检测频谱,还可以加装跟踪源组成二端口标量网分,是射频入门重要仪器。         本作品设计的模拟带通滤波器,是传统超外差频谱仪中常用的一种中频滤波器。这种中滤波器具备快速响应和带宽连续同步可调的特点,通常称为同步调谐滤波器。         相对于通信常用的带内较为平坦的滤波器,这种同步调谐滤波器带内出现尖峰。明显,这种滤波器并不适用通信滤波器使用。但是这种滤波器也具备通信滤波器不具备的特点。这是因为其电路存在谐振回路,所以并不适合直接通信滤波器使用,但是谐振频率的唯一性以及带宽连续可调这两个特性,非常适合频谱分析使用,故早期模拟频谱仪多用此类型带通滤波器作为中频滤波器。        在制作频谱仪的过程中,射频模组已经完成demo设计,但数字中频设计因为资金原因,进度比较缓慢,故萌生使用模拟中频交叉设计并验证的想法。        频谱仪的模拟中频难点很大部分在于中频滤波器的设计,因为频谱仪的RBW覆盖范围较广,设计还是比较困难,这里先行设计了带宽在1M到100K之间的滤波器。后期再制作30K到3K的晶体滤波器,1K到10Hz则由FFT实现。</p> <p>注:由于本人layout时候智障了一把。。。把两个未屏蔽电感的平行放置了,结果出现阻带尖峰!</p> <p>【请在竞赛阶段填写 ↓】 *  一、作品详情;         模拟同步调谐滤波器,调谐是指滤波器中心频率和带宽都可以调整,同步是这种滤波器在级联使用的时候,每一级的中心频率和带宽是可以独立并同时调整的。         如果每一级的滤波器电路都调整为相同的中心频率和带宽,级联后的带宽将会减小。         如果每一级成参差调谐状态,也可以组成带内平坦的滤波器。         作品需要完成的参数         1.  中心频率10.7M,可微调。         2.  带宽最窄到70K±5k,并连续可调。         3.  带宽70k左右时,3dB ~60dB 矩形系数小于13。         4.  幅频特性测试中,底噪和峰值差 大于80dBm,其中底噪低于-90dBm。         5.  幅频曲线左右对称。         6.  快速脉冲响应。         7.  输入输出阻抗为50Ω。</p> <p>*  二、描述作品所面临的挑战及所解决的问题;     首先同步调谐滤波器的应用场合分析,这里有以下几个疑问?     1.   超外差模拟频谱分析仪(以下简称模拟频谱仪)的显示曲线是怎么得来?     2.   为何模拟频谱仪要使用此种滤波器?     3.   怎么实现模拟频谱仪的要求?     注:以下分析仅针对模拟频谱仪。</p> <p>答1: 模拟频谱仪的曲线,是谐振曲线,即中频滤波器的幅频曲线。(额外:数字中频频谱仪,是其中频滤波器的响应,为类高斯窗。)</p> <p>答2:   谐振曲线由中频谐振滤波器构成,理论有且只有一个峰值点,这种曲线可以非常直观的显示点频信号,并且元件使用最好,理论只需一个电感和电容即可组成。             相比使用其他类型的模拟滤波器,比如巴特沃斯和切比雪夫型,通带过于平坦,生成的幅频曲线,不容易寻找其中心频率,不仅测量读数不可靠,并且不容易并计算机数据处理。谐振曲线很容易读取中心频率,计算机只需搜索最大值或最小值即可确定中心频率,直接读数也是很方便。             另外,由多级谐振滤波器组成的中频滤波器,可以通过参差调谐方式,将通带平坦化,此时频谱仪可以充当一般的接收机使用,比如FM和AM解调。             通常情况下,频谱仪的谐振滤波器,不会超过4级,主要是根据公式           <img src="//image.lceda.cn/pullimage/zTYLORurE00oTtYOtPPJV8ETaooL4aPWZrRahcfn.png" alt="image.png" />             在级联超过4级以后,滤波器的带宽变化已经比较少,并且随着带宽的减少,谐振频率的稳定性已经不能忽略。每加多一级,都会引入中心频率的漂移。如果是LC集总参数型滤波器,相对带宽低于1%的情况下,电感和电容的略微变化,都会带来带宽较大的不确定度,对测量产生不确定性影响,这也是频谱仪作为频率读数使用时,不如频率计准确的原因之一。             频谱仪因为具备扫频功能,主要受限于YIG本振扫频速度以及中频滤波器的响应,通常快速扫描最短为20ms,一个具备快速响应、带外抑制好、而且没有振铃效应的滤波器是其最佳选择,谐振型滤波器就具备以上特点注:振铃效应来自于滤波器的阶跃响应问题,由于频谱仪是大动态幅度检测,也就是阶跃幅度很大,如果滤波器出现振铃效应,会导致通带和阻带出现波动,造成测量错误。有关滤波器的阶跃响应带来的振铃效应问题,这里篇幅有限,推荐大家阅读《模拟滤波器与电路设计手册》或滤波器相关设计书籍。             模拟频谱仪的RBW带宽设置,也就是中频滤波器的带宽选择,通常为1-3-10的档位,从3M到10Hz,档位非常多。通常由 LC、钽酸锂晶体或压电陶瓷、石英晶体组成,LC组成的滤波器通常是3M 到100K频段,即3M 1M 300K 100K四个档位。             如果采用4个固定带宽的LC滤波器,用开关来切换,首先开关的隔离度必须要很高,其次就是电路比较臃肿。多个LC滤波器带来中心频率不确定性非常大,给测量带来很大的误差,也给校准带来很大麻烦。如果采用可变带宽的LC滤波器,通过连续电压调带宽来完成RBW档位的切换,调谐过程中滤波器的中心频率不变。不仅简化了电路的架构,而且便于校准,因为没有档位开关,所以开关隔离度的问题也不复存在。但是,连续调谐会带来滤波器插损的变化,实际应用中,需要额外的补偿放大器补偿。</p> <p>最后总结一下频谱仪的要求, 中心频率容易测量且稳定性较好、带宽大范围连续可调、快速响应、无振铃效应、矩形系数小于13。</p> <p>答3:如何实现上述要求的滤波器?</p> <p>首先是单级同步调谐的电路原理。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/85pC7ldvr9DV1wzZQLcfiPxyDi0G2Zxg5whZ12M8.png" alt="image.png" /></p> <p>实际电路是由多级中心频率和Q值相等的调谐回路组成。各级之间使用FET高阻放大器缓冲隔离,这高阻输入必须的,否则Q值会大大降低。单级的带宽公式为</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/aI4vDWoi41V5GnObjbYELU1tZFlm7YSgBLG73aSb.png" alt="image.png" /> 通过改变串联电阻Rs可以降低整个回路的Q值,从而改变带宽,通常用PIN二极管构成,并且是常用AGC回路使用的PIN比较好,因为等效阻值可以比较大。</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/JcjtDjQAM0p3VHrnLUjzJ63pRMxGWMJM6OBzREik.png" alt="image.png" />  PIN二极管组成的谐振电路  实际电路中使用的二极管型号为RN731V,其电阻-电流特性如下 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ghqd7JPUYX8SbjQkG4z2GHIQeByZUpHSK75JIxB3.png" alt="image.png" /></p> <p>明显,导通情况下,通过PIN二极管的电流和导通电阻基本呈线性关系。      电感L取值为0.4uH,使用空心电感绕制而成 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/6QYKxdFNDpgd8LEjXldwsEm3cDah7vLwg8eOiW8Y.png" alt="image.png" />        这里为了避免磁芯饱和,所以使用了空心电感。         谐振电容C最佳为空气电容,但是体积过大。使用薄膜电容较为理想替代,薄膜电容大多负温度系数,可以补偿电感线圈的正温度系数特性,并且ESR值低于一般的MLCC电容。 要求不是很高的场合,也可以用NPO型MLCC电容替代。电路实际中使用的就是MLCC电容,为470pF + 68pF两个并联。         注:射频常用的高Q电容也可以。</p> <p>可以看出,这种架构具备许多优点,调谐方便,容许多级之间的轻微不平衡,具备良好的响应等。 级联后的总带宽计算公式 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/cOudNwrqS4BuDSF3IsF7tOjAZwaJkJYGORmr45kS.png" alt="image.png" /></p> <p>其中n为谐振回路的级数,BWn 为总带宽,BW为单级带宽。如果采用4级级联,单级带宽为总带宽的2.3倍左右。 若最终带宽为70kHz,单级带宽则为161k,需要每级有效Qd值为66左右。根据公式 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/euSst06ZvFiQGoFIp2fSLq6DYSVgatbFc9LVLrX8.png" alt="image.png" /> QL为电感Q值,由上面的空心电感计算公式代入,最后得到Rs的值为5.6k 左右。</p> <p>,</p> <p>*  三、描述作品硬件、软件部分涉及到的关键点;</p> <p>本作品不涉及软件。 在明白的电路原理后,如何设计出合理的硬件参数和选型,是作品硬件的关键点 1.      确定电感材料的选型和电感感量,以及手工绕制的问题。实际设计中,首先使用了手工绕制的空心电感,因为很明显,色环类的电感和小型贴片电感的Q值是无法满足要求的。但是个人绕制手艺不佳并且没有骨架支撑,绕制出来的电感的Q值比较低,级联了6级才勉强达到指标。后来发现某种机器绕制的磁芯电感在抽掉磁芯之后,电感量正好满足需求,所以购买了一些,手工拆掉磁芯,焊上电路后发现,4级就可以满足指标。</p> <p>2.      确定PIN二极管的选型。PIN二极管种类繁多,需要选择合适且容易购买的型号。如果变化带宽比较大,需要可变阻值比较大的PIN二极管,这种PIN二极管通常是AGC回路中使用的多,用于开关和衰减的PIN二极管,通常可变电阻区域较小。</p> <p>3.      每一级的隔离度。使用恒流源驱动PIN二极管是一种比较稳定可靠的选择,简单使用可以直接用电位器+运放输出来调节。因为是直流输出控制PIN二极管,使用低失调的运放可以降低控制的误差。如OP07或OPA2188等。</p> <p>4.      缓冲和放大电路的设计传统同步调谐电路中,使用分立元件电路搭建缓冲区和放大器,虽然噪声低,但参数设计比较复杂。作品使用了运算放大器来代替分立元件电路,噪声虽然高于分立元件电路,但是电路设计大大简化,并且增益的稳定性大大提高。而且现在高带宽的运放并不像以前那样昂贵,所以权衡之下,最终使用运算放大器完成缓冲和放大         需要注意的是,并不是高带宽的运放都适合此电路。谐振回路并联的缓冲运放,使用高阻FET型和双极性的结果差异是很大的,虽然都是高带宽的运放,输入等效电容都比较低,但是双极性的运放存在比较大输入失调和偏置电流,为uA级,变相降低了谐振回路的等效Q值,经过测试后发现的确如此。而FET型运放,输入阻抗比双极性运放高一个数量级,为1GΩ左右,失调和偏置电流为pA级,所以对谐振回路的影响比双极性将低很多,实际测试结果也是如此。另外,使用电压反馈型运放的噪声特性要好于电流反馈型,本来使用运放就已经增加了不少噪声,所以不建议使用电流反馈型运放。         如果需要高增益来补充插损,使用压摆率也是一个重要参数。</p> <p>*  四、作品材料清单; 详细的BOM单请见附件 表格粘贴有问题 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/4y8zS4fmDaEHLppoZ9anCUQhvLaYyNuj0aso4oh6.png" alt="image.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/m5W413pI0PMsKeJFLwWcOMqb9qWx5zJZnBTmiqCO.png" alt="image.png" /></p> <p>*  五、作品图片上传;(PCB上须有大赛logo标识并拍照上传,若无视为放弃参赛) <img src="//image.lceda.cn/pullimage/vm5FNh2gh1SmjeP76qImG3xkgzfyI515carznAv1.jpeg" alt="图标.jpg" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/vsL2BUwmo7568FBIAZAWJGDFZWx2d59rQxw2YnvC.jpeg" alt="微信图片_20190920203834.jpg" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/O7YJNjIyUc1AvXAXwZjf29YmIeAufrJS0Wh0r2EL.jpeg" alt="微信图片_20190920203844.jpg" /></p> <p>*  六、演示您的作品并录制成视频上传;(视频内容须包含:作品介绍;功能演示;性能测试;PCB上大赛logo标识特写镜头,若无视为放弃参赛)</p> <p>视频中讲解矩形系数时候,计算出现错误,应该为400k 除以 35k ,约为11.4左右。</p> <p>七、开源文档。</p>

文档

BOM

暂无

附件

附件名 下载
超外差频谱分析仪中的模拟同步调谐带通滤波器_BiliBili.mp4
Book完整版.xls
RBW LC Filter V0.3 原理图.pdf
RBW LC Filter V0.3 gerber.rar
RBW LC Filter V0.3 PCB.pdf

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