2025-G题国一-电路模型探究装置

一、团队介绍

我们团队来自武汉大学电设实验室，在2025年全国大学生电子设计竞赛中获得G题的国家一等奖。

二、题目要求

三、设计摘要

摘要：系统以FPGA作为数据处理和控制核心，基于复数曲线拟合法设计制作了电路模型探究装置。系统包括AD/DA模块、VGA模块、电压跟随器模块等。基于给定的系统函数设计了已知模型电路，其幅频响应与标准幅频响应误差小于5%。系统可设置已知模型电路的输出电压，范围为1～2V，通过VGA精确地实现稳幅输出，误差小于5%。系统可对未知模型电路进行学习，由“学习”键一键启动，扫频得到未知模型电路的频响曲线，通过复数曲线拟合法拟合出传递函数并设计IIR滤波器。装置学习时长约12秒，可以识别未知模型电路的滤波器类型，并推理出与未知模型电路相比无明显失真的输出信号，幅值误差小于5%，且能同屏显示。综上，装置达到了题目全部要求，稳定性高，响应迅速。

关键词：传递函数；复数曲线拟合；频率响应；滤波器设计

四、题目分析

五、总体设计框图

系统框图如下图所示。总体方案如下：以FPGA为控制核心，用户通过触控串口屏进行交互。FPGA通过驱动TLV5638、DAC904、VCA821，得到宽幅度范围、宽频率范围的激励源。对于已知模型电路，单端接入装置，系统可以自动改变输出的频率和幅值，使已知模型电路的输出恒定为设定的某个值。对于未知网络，学习时双端接入网络，系统通过扫频得到网络的频率响应，拟合出其传递函数，并根据传递函数构建IIR滤波器。学习完毕后，将外部信号输入装置，在装置的输出端可测得与未知模型电路的输出波形、幅度相同的信号，且可以与未知网络的输出稳定同频显示。

六、硬件电路组成

6.1 已知电路模型设计

6.2 激励源设计
经过之前的方案论证，我们采用的芯片是并行14bit、165MSPS的高速数-模芯片DAC904E，该器件具有高阻抗(200kΩ)电流输出，标称范围20mA。辅以一片运放将差分的电流信号转化为我们比较常用的单端电压信号，便可作为一个激励源模块。
DAC904E部分，用一片AMS1117-3.3得到3.3V给DAC904E供电，DAC904E外围的阻容配置比较简单，仅需要一些退耦电容、一个满量程输出调整电阻Rset即可工作。
运放部分，我们采用了一片比较常见的电压反馈型运放芯片OPA690，它的单位增益稳定带宽为500MHz，同时拥有1800V/us的压摆率，已经足够作为DAC904E的后级驱动。

6.3 模-数转换设计
我们采用了ADS805作为ADC转换模块，ADS805是一款20MHz高动态范围、12位流水线型模数转换器，需要搭配一片全差分运放，先将常见的单端电压信号转换为差分电压信号，再进入ADS805采样。
全差分运放的选型是THS4151，在±5V供电下，其-3dB带宽为150MHz，1MHz时三次谐波失真为-89dB，总谐波失真为-83dB，性能较为优越。

6.4 程控放大器设计
通过程控放大器，使激励源的电压摆幅范围更大。我们选用了压控放大器VCA821配合低速串行数模转换器DAC5638，设计了一个兼容VCA821/VCA824的程控放大器模块。该模块上集成了DAC部分、参考电压生成部分、减法器部分、压控放大部分。
对于VCA824（控制电压为-1~1V），DAC无法直接产生负电压，需要使用减法器将输入控制信号与参考电压相减，得到真正的控制信号。
对于VCA821（控制电压为0~2V），直接用DAC生成控制电压即可。

6.5 核心开发板
核心开发板选型为DE10 Standard，链接和实物图如下
链接：【淘宝】https://e.tb.cn/h.SZfErHL?tk=1xhZ4Jch7gd CA381 「友晶DE10-Standard FPGA开发板terasic intel Cyclone V 5CSXFC6」
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七、程序流程图

程序流程图如下图所示。系统初始化后进行模式选择。若进入输出模式，则通过触摸串口屏设置频率和幅度后写入DAC904进而输出正弦波；若进入学习模式，则首先在输出模式产生频率为1k~50kHz的正弦波进行扫频，然后用两个ADS805同步采样未知模型电路的输入和输出信号从而得到频率响应，并将其显示在串口屏上，根据频率响应拟合出系统函数；若进入推理模式，则需要通过学习到的系统函数在FPGA内部配置IIR数字滤波器，然后将ADS805采集到的输入信号通过该IIR数字滤波器，比较得到的输出信号与未知模型电路的输出信号的误差即可。

八、测试结果

8.1 测试所用仪器及型号
测试时用的仪器和型号如下表所示。

8.2 已知模型网络频率特性测试
通过信号发生器，将100Hz～3kHz，峰峰值为1V的正弦信号输入已知模型网络，测量已知模型网络的输出幅值，并与传递函数表征的输出电压幅度（简称标准输出）比较。

8.3 设定已知模型网络的输出幅度测试
通过串口屏设定已知模型网络的输出幅度，用示波器观察并记录其波形幅度。

8.4 未知网络学习测试
自制无源RLC网络，探究装置对其进行学习，学习后用信号源与示波器测试学习的成果。

8.5 测试结果分析
由测试结果可知，系统完成了题目所有指标要求。根据给出的传递函数实现了已知模型，幅频特性误差小于5%。装置可以根据已知模型的幅频特性输出可变幅度激励，使已知网络输出幅度为设定值，误差小于5%。装置可以对未知模型电路进行学习，根据其频率响应拟合出传递函数，并构建相应的IIR滤波器。装置学习后可以根据输入信号推理生成与未知模型网络的输出相同的信号，信号无明显失真，幅度误差小于5%，且可以连续同频显示。

九、实物展示

下图为实物图片，左侧为DE10 Standard FPGA和淘晶驰串口屏，右侧为上文介绍过的各模块，图中已有注解。

十、注意事项

1、系统函数拟合方法是复数曲线拟合法，详情可见附件中的论文与作品报告。
2、系统中两个射极跟随器输入端需要直通运放，以满足输入阻抗的要求；如果使用OPA690作为跟随器，输出端务必串接50Ω电阻，ADS805输入端R21也为50欧姆保证差分平衡；如果使用其他运放，若输出端不串接50Ω电阻也能工作，则需要将ADS805输入端的R21改为0Ω电阻。
3、已知/未知网络与装置之间的连接都采用SMA-SMA，信号质量更好。测评时的未知网络为压接式/夹接式，可以采用SMA-鳄鱼夹和SMA-BNC接口，尽量不要用杜邦线连接。

十一、演示视频

整体演示视频：
https://www.bilibili.com/video/BV1uHYVzHE6x/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=d2249085f90b06644a0f89f6d6d2c91d

十二、附件内容

附件0：完整作品源代码
通过网盘分享的文件：2025G题国一电路模型探究装置武汉大学梁同学.rar
链接: https://pan.baidu.com/s/1qiArKj9qkArCU9-YHUGHAA 提取码: n7un
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附件1：作品报告
附件2：Complex-curve_fitting论文
附件3：赛题
附件4：演示视频（缩略+加速版）
附件5-8为分卷压缩后的程序代码
附件5：CLE.part1.rar
附件6：CLE.part2.rar
附件7：CLE.part3.rar
附件8：CLE.part4.rar