2025-G题国一-电路模型探究装置

一、团队介绍

团队成员均来自于南京航空航天大学电子信息学院。
队伍成员：jiuye123,pokemmo37,wanyieeeee
jiuye123负责整体方案和软件部分，pokemmo37负责硬件电路部分，wanyieeeee参与方案设计和硬件电路设计并负责设计报告撰写。

二、题目要求

三、设计摘要

根据题目要求，作品以STM32F407为主控、程控滤波器MAX262为核心构成电路模型探究装置。

1. 基础部分由单片机控制AD9833构成的DDS产生扫频信号、AD603构成的可变增益放大器VGA实现输出电压可控；
2. 发挥部分由DDS扫频通过未知电路输出单片机读取频谱信息探究未知电路，并通过中心频率和品质因子核心参数控制程控滤波器模拟未知电路。除此之外电路还使用了由运放芯片NE5532和LM358构成的ADC前端调理电路以及由比较器芯片LM311构成的峰值检测电路。

四、题目分析

分析和题目顺序相对应

• 基础部分

1. 根据传递函数得出已知模型为二阶有源低通滤波器，拓扑结构为简单型。
2. 探究装置产生既定正弦信号，即完成DDS信号发生器。各频点输出电压峰峰值需要使用程控放大器VGC控制。
3. 题目要求设定“已知模型电路”输出电压为特定值，通过已知模型电路的幅频响应反推单片机应控制的VGA输出电压。

• 发挥部分

1. RLC元件各一个将组成二阶无源滤波器，类型为低通、高通、带通和带阻（或陷波）。单片机定时控制DDS信号发生器完成扫频，同时读取“未知模型电路”输出。数据经FFT变换得出幅频响应和相频响应曲线，根据各滤波器特点软件分析并计算出中心频率（或截止频率）和品质因子。
2. 程控滤波器MAX262构成二阶有源滤波器，输入中心频率（或截止频率）和品质因子参数可以模拟未知电路二阶无源滤波器。

五、总体设计框图

六、硬件电路组成

提示：详细说明作品中各个电路组成情况，并对电路原理图进行分析，如使用成品模块板子，还需注明开源。

1. 已知电路模型
   根据已知的传递函数，可以得出已知电路模型为简单型（增益为5）的二阶有源低通滤波器。实际电路为二阶低通滤波器后增加一级放大倍数为5的同相放大器。

2. ADC前端调理电路
   ADC前端调理电路实际由反相（或者同相）比例放大器耦合同相加法器构成。我们选用NE5532芯片完成放大器和加法器。其主要作用是放大前级信号，并添加直流偏置，使信号处于一定范围内便于后续操作（一般用于单片机采集前的信号处理）。请注意不同耦合方式决定电路的用法不一样，交流耦合简单但是会损失直流信号，直接耦合电路复杂但是可以处理直流信号。

3. 基准电压电路
   基准电压电路由ref3033芯片和跟随器构成，其输出1.65V标准电压。在本作品中用于电压抬升，实际输出连接至“ADC前段调理电路”加法器的另一端。

4. 峰值检波电路
   峰值检波电路采用LM311芯片，该芯片是具有选通信号的高速30V差分比较器。其构成的峰值检波电路外围电路简单且性能相比电容二极管构成的峰值检波电路精度高、反应灵敏。其主要用途为提取输入信号的峰值并输出。本作品这里将峰值检波电路的输出作为程控放大器倍数选择的判断依据。
   

5. DDS信号发生器
   DDS信号发生器用于产生题目要求的正弦信号，我们选用了AD9833成品模块，能够产生达到题目要求频率范围的芯片均可使用。
   购买链接：https://e.tb.cn/h.hBUz2RUYEoNTCvg?tk=mg0j4LzBb1m CA381 「双路AD9833模块 高速正弦波三角波方波DDS信号发生器模块相位可调」

6. 自动增益控制电路
自动增益控制（AGC）电路用于控制电压输出，这里我们实际作为可变增益放大器（VGA）使用，即使用单片机控制输出电压值。
购买链接： https://e.tb.cn/h.hBNyVZfz8bNtvxF?tk=F9sG4Lzukgi CZ057 「宽带AGC电子模块 AD603 -40dB到40dB调节 手动/程控 带宽135M」

7. 程控滤波器
程控滤波器可以实现程序控制的滤波器输出。我们选用的MAX262程控滤波器可以作为二阶滤波器使用，满足题目需求。MAX262程控滤波器的品质因子Q和中心频率f（或者截止频率）可编程。
购买链接：https://e.tb.cn/h.hBk5lrbzk6rn5aG?tk=9XoJ4LzGH1O HU006 「MAX262模块 程控滤波器 截止频率与Q可编程 低通高通带通带阻全通」

8. 继电器
继电器实际作为单片机控制程控滤波器输出的开关。MAX262程控滤波器成品模块使用拨码开关控制滤波器类型，不满足题目要求。我们更改了原模块电路，拨码开关控制的电路连接到继电器上。三个继电器级联，最终使用两个片选信号即可实现四种滤波器类型的选择。
购买链接：https://e.tb.cn/h.hBkRPXbap9jut27?tk=kDxy4Lzygku HU287 「1 2 4 8路5V12V24V继电器模块带光耦隔离支持高低电平触发开发板」

9. 运算放大器OPA892
OPA892是具有超低总谐波失真(THD)的2GHz稳定0.95nV√Hz运算放大器。在本作品中其被用于放大DDS输出信号。AD9833 DDS信号发生器产生的信号幅值偏低，而VGA可变增益放大器增益有限，因此有必要增加一级放大器。这里使用了成品模块。由于OPA892芯片、模块价格过于高昂且性能过剩，完全可以使用其他能够满足要求的运放芯片替代之。
购买链接：https://e.tb.cn/h.hz25WJ9PQLiwSgX?tk=f3Ba4LzCJEV MF937 「2024年TI杯电子设计竞赛OPA892高速运算放大模块2GHz带宽电压反馈」

七、程序流程图

八、实物展示

九、注意事项

1. 工程中“ADC前端调理电路1”是直接耦合（电容C3替换为阻值为0的电阻），“ADC前端调理电路2”是交流耦合。本作品中红色PCB板及其右1电路和下1电路设计图一致，即“ADC前端调理电路1”。该电路偏置电压供为0时可作为简单的反相放大器使用。

2. AD603构成的AGC电路在本作品中仅作为VGA可变增益放大器使用。

3. 实际使用中AD603构成的AGC电路输出在低频低输入电压时不稳定，因此我们调整了程序控制的放大倍数并在后级添加了一级增益为0.5的反相比例放大器（作品中实际使用了一个ADC前端调理电路）。复现时可以探索其他解决方案或者使用性能更好的可变增益放大器。

4. 由于单片机可输出电压较低，继电器需要选择3.3V电压控制的型号。理论上继电器可以替换为模拟开关。

5. 作品中使用的运放芯片NE5532、LM358在题设要求下性能勉强够用，实际使用可能出现某些问题。如果条件允许，尽量选用高增益带宽积、高压摆率的运放芯片。

6. 信号采集数据FFT后会出现毛刺，该问题在相频特性曲线中高频部分尤其明显。因此建议尽量使用幅频特性作为滤波器类型的判断依据。频谱数据可以使用中值滤波减少噪点。

7. 峰值检波电路参考LM311 Datasheet，官方参考电路LM311正负极接反，本作品工程中的电路已修正。

8. MAX262程控滤波器工作方式为带通滤波器时，其增益受Q值的影响。由于未知电路为无源滤波器，高Q值时需要考虑增益补偿。建议后级添加VGA可变增益放大器对增益进行补偿。

十、演示视频

（见附件）

十一、附件内容

通过网盘分享的文件：2025电赛
链接: https://pan.baidu.com/s/1UKTXx5ycH9l_b4MVMa1ekg?pwd=i3cw 提取码: i3cw
附件一：演示视频
附件二：代码
附件三：G题_电路模型探究装置