2023年H题-信号分离装置-HandDream

一、团队介绍

2023年H题：信号分离装置--2023全国一等奖

队伍名称：HandDream

队伍成员：吴浩瀚、曹志君、刘雨萌

学校信息：山东大学

二、题目要求

设计并制作信号分离装置，如图 1 所示。一台双路输出信号源输出 2 路周期
信号 A 和 B（频率范围：20kHz ~100kHz，且 fA ＜fB；峰峰值均为 1V），经增益
为 1 的加法器产生混合信号 C，信号 C 通过分离电路分离出信号 A’和 B’。要求
信号 A’和 B’相比信号 A 和 B 波形无失真，A’和 A、B’和 B 的波形在示波器上能
连续稳定同频显示。

1．基本要求
（1）制作增益为 1 的加法器，实现 C=A+B。
（2）信号 A 和 B 均为正弦波，fA =50kHz，fB =100kHz。要求装置能正确分
离出信号 A’和 B’，且峰峰值均不小于 1V。
（3）信号 A 和 B 均为正弦波，频率分别为 10kHz 的整数倍。要求装置能正
确分离出信号 A’和 B’，且峰峰值均不小于 1V。

2．发挥部分
（1）信号 A 和 B 分别为正弦波或三角波，频率分别为 5kHz 的整数倍。要
求装置能正确分离出信号 A’和 B’，且峰峰值均不小于 1V。
（2）发挥部分（1）中，信号 A 和 B 均为正弦波，且 fB 是 fA的整数倍。要
求装置能设置并控制信号 B’与 A’的初相位差，范围 0°~180°，设置分辨率 5°，
误差绝对值不大于 5°。
（3）其他。

三、设计摘要

本系统以STM32F407ZGT6单片机为核心，使用FFT算法对待分离信号C进行时频域变换，分析出原始信号A、B的波形参数，再经DDS模块AD9833复现波形，实现信号分离。输出信号A，B整形后与信号C通入锁相放大器

进行鉴相，误差返回单片机端，结合压控温补晶振与频率加权合成算法实现软件锁相，实现闭环控制，实现A与A’,B与B’的同频零漂移显示。使用串口屏实时显示信号频谱，通过触摸按键等完成人机交互。

本系统波形分离完全正确，可分离5kHz到320kHz的混合信号，相位差误差小于2.5°，信号输出信号峰峰值1-5V可调，各项指标均优于设计指标要求。

四、题目分析

本体的核心点在于A与A'的同频显示，具体测试方法为：设置信号 A 为示波器触发源，调节水平扫描速度使得示波器上显示 4~8 个周期的信号 A 波形，此时观测信号 A’波形应与信号 A 同频率、不失真，稳定显示不漂移。

根据理论分析计算，A与A'的频率差必须至少达到0.001Hz才能满足题目要求，那设计的重点就在于如何提高复现信号频率的步进精度。我们使用了两种方法，一是提高信号源的频率精度、二是通过算法进行频率的微调制。

相位差的设置原理是使用同一个外部晶振给两路DDS提供时钟信号，并通过算法来设置相位差。

至于本体所需的FFT技术以及锁相放大技术等我们后面再做分析。

五、总体设计框图

六、硬件电路组成

1、锁相放大器

锁相放大器能够在输入信号中精准的检测到与参考信号频率相同的信号，并根据两个同频信号的不同相位差输出不同的直流电压，用AD8688采集直流量送入单片机进行分析。由于产生的新信号与原始信号存在一定的频率差，体现在直流的输出大小上就是一直缓慢变化的，采集到这种变化后通过软件的调节使得输出直流量的变化率趋近于0，就完成了频率追踪的闭环调节。

2、AD8688

AD8688是一款多通道的外部AD，特点在于能够采集负电压，且最宽采集范围为-10V~10V，正好适合采集锁相放大器的输出，锁相放大器的输出就是存在负电压的直流量

3、10MHz OCXO 和 高速比较器

恒温晶振能够为系统提供十分稳定的时钟信号，且恒温晶振受温度的影响极其微小，非常适合本系统的需求。理论上恒温晶振的频率调节范围为±15Hz，频率调节步进值为0.001Hz，精度指标和宽度指标都非常优秀。右图为TLV3501高速比较器，输入频率支持到120MHz，由于OCXO输出的信号为正弦波，不能直接用做时钟信号，故通过高速比较器整形为方波后为DDS提供时钟信号。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4、STM32F407主控

5、电源模块

左图为系统提供±5V供电，右图提供±12V供电

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6、DDS模块

本系统使用的AD9833模块，可以使用外部时钟，能产生正弦波和三角波，且具有两路输出，其中一路还自带滤波，波形质量较高。质量高的信号通过后面的隔直（一个电容）电路，同相比例放大电路直接输出作为A'的测试接口；另一路信号则整形成方波通入锁相放大器进行闭环。

7、同相放大器

运放使用THS4001，各项指标均远超需求，调节旋钮可以改变A'的峰峰值大小

8、隔直跟随电路和过零比较电路

隔直系统使用了高通滤波结构，用简单的电容和电阻网络就可以实现，运放使用了交直流性能优异的opa227；过零比较电路使用了双运放LM393，使用双电源供电达到过零比较的效果，具体电路图见设计图。

9、加法器电路

题目要求使用独立电源供电，故设计了如下结构。使用AMS1117-5.0模块把7.4V降到5V，使用MC34063A模块用7.4V产生-5V电压，如此±5V电压给运放opa2140供电，为了避免电池电量的不必要流失，还设计了开关功能。加法器电路使用的是同相加法电路，具有高输入阻抗的优点，易于进行阻抗匹配。

10、偏置电路

由于A与B信号都是交流信号，相加后的C也为交流信号，单片机无法直接采集，故设计了这样的偏置电路。运放同样使用了交直流性能优异的opa227，电路结构为同相加法器，使用了REF3033电压基准芯片通过电阻分压给C信号提供了1.65V的偏置，使得单片机能够安全的采集并使用FFT进行分析。

11、串口屏

在串口屏上实现按键一键启动分离，滑动设置相位差，展示A、B信号信息，展示频谱图的功能。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

七、程序流程图

 

八、实物展示

 

九、注意事项

1、恒温晶振达到稳定状态需要大概4分钟的时间，所以在调试之前先给恒温晶振通电运行

2、本题目中使用了一些隔直网络。对于不同频率、不同幅值的信号，在隔直系统的选取以及隔直电容的选取上要经过多次实验确定

十、总结

今年的H题是一个方案百花齐放的题目：纯硬件滤波；靠FPGA拉高性能；使用单片机配合闭环系统都可以做这道题，只不过花费的时间和精力大有不同。电赛一向推崇的就是使用比较差的硬件完成优异的指标，我想我们做到了这一点，也许正因如此我们才能受邀参加今年TI杯的争夺。只不过万事总是不能尽如人意，在真正的实力差距面前我们还是无缘今年的TI杯，没能为学校争回荣誉。不过遗憾总是人生的常态，正因为有了遗憾人的一生才显得跌宕、迷人，破碎的美总提醒着我们完美无瑕的成功是那么的珍贵，让人生更值得回味。遗憾并不是主旋律，通过这次的比赛我们所学到的知识、本领，我们领悟到的合作、团结的磅礴力量才是人生最珍贵的财宝。我们团队均为山东大学控制学院二年级学生，文案是由我这位硬件选手编撰的；团队里另外两位大佬一位是纯软件选手，编程能力无人与之匹敌；另一位是摇摆位选手，你也可以说他是全能选手，今年题目偏软件所以他一直在做软件工作。当然，最后要感谢平常给我们培训，答疑解惑的实验室老师们和学长学姐们，感谢一同奋战电赛的兄弟们和学弟学妹们，感谢两位志同道合的的朋友，共同浇筑了我们荣誉。瀚君萌，HandDream！用双手成就我们的梦想！