基于STM32F1的調(diào)幅信號(hào)處理電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘? 要：本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的是調(diào)幅信號(hào)處理電路系統(tǒng)，采用STM32F1控制本振源，與AM信號(hào)混頻，經(jīng)過中頻濾波器濾出帶有AM調(diào)制波的10.7M信號(hào)，再用AGC增益控制一個(gè)穩(wěn)定的幅度，通過無源高頻檢波將帶有AM調(diào)制波的信號(hào)解調(diào)，通過基帶放大器將幅度放大到1V±0.1V使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：STM32F1;本振源;放大器;自動(dòng)增益控制

中圖分類號(hào)：TN763.1;TN92-4? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）20-0035-03

Abstract：This experiment is designed to be an amplitude modulation signal processing circuit. The STM32F1 is used to control the local oscillator source，and mixed with the AM signal. The 10.7M signal with AM modulation wave is filtered out by the IF filter，and the AGC gain is controlled in a stable amplitude，the modulated signal with AM is demodulated by passive high frequency detection，and the amplitude is amplified to 1V±0.1V by a baseband amplifier. The stability of the entire system is strong.

Keywords：STM32F1;local oscillator source;amplifier;automatic gain control

0? 引? 言

隨著信息化時(shí)代的到來，對(duì)于信息傳遞的要求越來越高，原有的工具越來越難以滿足要求，這時(shí)嵌入式系統(tǒng)便進(jìn)入了大家的視線之中，文章討論了基于嵌入式系統(tǒng)的調(diào)幅信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，它實(shí)現(xiàn)了通過嵌入式系統(tǒng)完成對(duì)無用信號(hào)的濾除。

1? 調(diào)幅信號(hào)處理電路系統(tǒng)硬件選用及分析

1.1? 系統(tǒng)基本方案

本實(shí)驗(yàn)采用STM32F1放大器、本振源、混頻器、中頻濾波器、AGC自動(dòng)增益控制、無源檢波等模塊組成的方式來實(shí)現(xiàn)調(diào)幅信號(hào)的檢調(diào)。其主要原理為：由AM信號(hào)源產(chǎn)生信號(hào)，與相差10.7MHz的本振源混頻后再經(jīng)過10.7M陶瓷濾波器得到一個(gè)帶有AM調(diào)制波的中頻信號(hào)，經(jīng)過AGC自動(dòng)增益控制給衰減做一個(gè)補(bǔ)償，然后經(jīng)過高頻檢波模塊，得到解調(diào)波，最后經(jīng)過基帶放大器對(duì)所得信號(hào)進(jìn)行放大即可。

1.2? 方案論證與選擇

使用以下幾個(gè)模塊：混頻器、中頻濾波器、中頻放大器、AGC壓控增益檢波電路、基帶放大器進(jìn)行選用方案的論證。

1.2.1? 本振源的選擇

方案一：使用集成頻率合成器芯片MC145152，配合前置分頻器芯片MC12022和壓控振蕩器MC1648進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，可通過簡單的單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)較小步進(jìn)調(diào)整，較寬的頻帶輸出，性能穩(wěn)定，但是系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長，調(diào)試難度大。

方案二：使用Maxim公司的MB1504，MB1504是一種使用極其方便的振蕩器芯片，芯片中內(nèi)置鑒相器，這種鑒頻-鑒相工作方式擴(kuò)大了環(huán)路的快捕帶，縮短了頻率牽引過程，從而使環(huán)路快速進(jìn)入相位鎖定區(qū)，最終實(shí)現(xiàn)快捕鎖定。

綜合考慮，選擇方案二。

1.2.2? 混頻器的選擇

方案一：利用二極管或者三極管的非線性器件特性實(shí)現(xiàn)混頻器。這樣你用分立式原件設(shè)計(jì)出的混頻器具有動(dòng)態(tài)范圍寬，噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于這樣的混頻器容易發(fā)生本振泄露，且調(diào)試難度大。

方案二：利用集成的混頻芯片實(shí)現(xiàn)，如ADI公司的AD 831混頻器芯片，該芯片是高性能，低失真的混頻器，具有500MHz射頻信號(hào)和本振信號(hào)的輸入帶寬，250MHz中頻輸出帶寬，集成有放大器和濾波器，最重要的是芯片輸出頻率精確穩(wěn)定，外圍電路簡單，容易操作。

綜合考慮，選擇方案二。

1.2.3? 中頻濾波器的選擇

方案一：使用電阻、電容和電感等分立元件設(shè)計(jì)無源濾波器。此濾波器電路簡單，但是輸出特性差，容易受到前后級(jí)影響，調(diào)試難度也比較大。

方案二：使用集成的濾波器芯片。外圍電路雖然簡單，但是能實(shí)現(xiàn)較大的階數(shù)。不過普遍價(jià)格偏高，設(shè)計(jì)成本高。

方案三：采用陶瓷濾波器。

陶瓷濾波器具有較高的頻率選擇性，寬帶窄，陶瓷濾波器可以做到相對(duì)寬度的千分之幾。插入損耗少，容易操作，穩(wěn)定且成本低，陶瓷濾波器能較好地滿足本設(shè)計(jì)的要求。

綜合考慮，選擇方案三。

1.2.4? 增益模塊的選擇

方案一：以VCA810為AGC模塊的核心，VCA810是一款帶寬、線性、連續(xù)可變電壓控制增益放大器，能夠提供差分輸入和單端輸入，具有出色的共模抑制比，可以通過設(shè)定兩個(gè)電阻值設(shè)定增益大小，設(shè)計(jì)靈活，由VCA810為核心設(shè)計(jì)AGC模塊，電路相對(duì)簡單，但是VCA810芯片價(jià)格昂貴。

方案二：以AD603為AGC模塊的核心，AD603是美國AD公司繼AD600后推出的寬頻帶、低噪聲、低畸變、高增益精度的壓控VGA芯片，而且可通過級(jí)聯(lián)方式增加帶寬和增益。以AD603為核心設(shè)計(jì)AGC模塊，電路相對(duì)復(fù)雜，偏移量大，價(jià)格低廉，不過AD603寬帶最大只能達(dá)到8M，由于從中頻放大器處理之后頻率還是10.7M，AD603不能滿足10.7M的要求就會(huì)產(chǎn)生失真。

綜合考慮，選擇方案一。

1.2.5? 檢波器的選擇

采用無源高頻檢波器，該模塊價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，使用起來非常的方便，該模塊使用兩個(gè)高頻二極管、一個(gè)10K的電阻、兩個(gè)1nF和0.1uF的電容構(gòu)成。

1.2.6? 基帶放大器的選擇

我們采用頻帶寬度適中，高性能低噪聲的NE5532，增益寬帶為10MHz。在同相輸入端串聯(lián)一個(gè)100nF的電容，并聯(lián)一個(gè)8.2kΩ的電阻，形成一個(gè)高通濾波，方向輸入端并聯(lián)一個(gè)1kΩ的電阻，反饋端接入一個(gè)10kΩ的滑動(dòng)變阻器可實(shí)現(xiàn)對(duì)放大倍數(shù)的控制。

2? 調(diào)幅信號(hào)處理系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1? 中頻濾波器模塊的分析

此模塊采用10.7MHz的陶瓷濾波器作為中頻濾波器，為了在測試過程中防止發(fā)生干擾，中頻頻率選擇滿足以下關(guān)系：250+f>300-f。

其中250MHz、300MHz分別指上下限頻率，f為中心頻率。所以這里選用具有頻率選擇性高，且中心頻率為10.7MHz的陶瓷濾波器。

2.2? 混頻器模塊的分析

AD831是一款低失真、寬動(dòng)態(tài)范圍、單芯片混頻器。該混頻器內(nèi)置一個(gè)LO驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)低噪聲輸出放大器，同時(shí)提供用戶可編程功耗和三階交調(diào)截取點(diǎn)。AD831提供+24dBm三階交調(diào)截取點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)-10dBm LO功耗，無需高功耗LO驅(qū)動(dòng)器，也不存在相應(yīng)的屏蔽和隔離問題，因而與無源混頻器相比，能夠改善系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)成本。該混頻器的IF輸出可作為差分電流輸出或單端電壓輸出。差分輸出來自一對(duì)開集，并可通過一個(gè)變壓器或電容進(jìn)行交流耦合，以提供250MHz輸出帶寬。在下變頻應(yīng)用中，可將單電容跨接在這些輸出上來實(shí)現(xiàn)低通濾波器，以便直接在混頻器內(nèi)核處減小諧波，簡化輸出濾波。

2.3? 可控增益模塊的分析

VCA810依靠反饋得到的控制電壓VC控制放大倍數(shù);比較器AD8561比較的是VCA810輸出信號(hào)和設(shè)置電壓使用二極管和RC對(duì)比較器輸出信號(hào)進(jìn)行檢波;TL082將檢波得到的電壓轉(zhuǎn)換至VCA810的控制電壓范圍內(nèi)，使VCA810能正常放大;OPA690做高速緩沖器，以增加模塊驅(qū)動(dòng)能力。AGC模塊框圖如圖1所示。

2.4? 基帶放大器模塊的分析

此模塊采用高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器NE5532芯片，對(duì)前級(jí)晶體濾波器產(chǎn)生的中頻信號(hào)進(jìn)行放大處理。輸出端串聯(lián)及并聯(lián)兩個(gè)600Ω負(fù)載電阻，以達(dá)到題目中要求的基帶放大器輸出阻抗為600Ω。

3? 調(diào)幅信號(hào)處理系統(tǒng)測試方案及結(jié)果

3.1? 測試方案

第一次分開，單獨(dú)測試，第二次級(jí)聯(lián)測試。信號(hào)源產(chǎn)生10uV-1mV小信號(hào)通過示波器對(duì)各級(jí)電路進(jìn)行點(diǎn)測，分析各級(jí)輸出信號(hào)的參數(shù)指標(biāo)。觀測STM32F1是否能夠控制本振源，從而調(diào)節(jié)本征信號(hào)頻率。改變系統(tǒng)調(diào)制頻率或載波頻率，通過示波器檢測輸出。記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)而優(yōu)化方案。

3.2? 測試結(jié)果

（1）調(diào)節(jié)載波頻率為275MHz，輸入信號(hào)幅度在10uV- 1mV，第一次測試數(shù)據(jù)如表1所示。

（2）調(diào)節(jié)載波頻率為250～300MHz，輸入信號(hào)幅度在10uV～1mV，第二次測試數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)表1和表2的測試數(shù)據(jù)可以得知，該調(diào)幅信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)電路輸出波形不失真，可以達(dá)到基礎(chǔ)部分要求。改變調(diào)制頻率及載波頻率，除輸入信號(hào)為10uV時(shí)，其它幅度的輸出信號(hào)幅度均在1V±0.1V范圍，大部分滿足發(fā)揮部分前兩個(gè)要求。且陶瓷濾波器可濾出10.7MHz的中頻信號(hào)，綜上所述，本設(shè)計(jì)總體來說可以達(dá)到大部分設(shè)計(jì)要求。

4? 結(jié)? 論

文章給出了一種基于嵌入式的調(diào)制信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)方案，并成功地設(shè)計(jì)了電路的硬件與軟件部分，最終構(gòu)成了一個(gè)調(diào)制信號(hào)處理電路系統(tǒng)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否有效，進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，最終得出的結(jié)果表明本設(shè)計(jì)是成功的。本系統(tǒng)對(duì)于多種問題都提供了解決思路，例如收音機(jī)的AM信號(hào)接收時(shí)的雜波濾除，用于部分對(duì)講機(jī)的接收時(shí)的濾波等都有重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

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作者簡介：鄧新宇（1998.06-），男，漢族，四川眉山人，本科在讀，研究方向：嵌入式軟件開發(fā)、嵌入式硬件設(shè)計(jì)。