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千亿千亿国际2017年电赛F题

2020-02-04 06:15:14
  首先来说,今年高频题目相比较往年的高频题更有“高频”的感觉了。单纯的放大器已经连续考察了好几届,这届的高频题也是较前几届题目有了非常大的改变。题目大致要求是制作AM接收机,主要指标点接收灵敏度和前放带宽,都是对前端射频放大器性能的考察。我们的分析思路大致如下,供参考:(1)系统中频采用10.7M,实际是参考了FM系统,个人觉得这个其实一定程度上降低了考察难度。如果是定一个非常用频率,这个滤波器够调些时间,系统灵敏度提高也因此比较困难。10.7M中心频率有可用的现成的陶瓷滤波器以及晶体滤波器。晶体滤波器Q值极高,选频特性极佳,常用带宽+-3.75kHz,+-6khz,+_7.5khz,四极点。实际使用时,带宽过窄的话,要求本振信号频率非常准,稍有漂移则可能混频的到差频不在带宽内。我们选的中频带宽是15khz。通过两个四极点级联得到8极点,提高选频效果。对着矢网调节二者的耦合以及中心频率及带宽。实际这步比较重要,中心频率一旦调偏系统性能大打折扣。但是题目并没考察带宽。(2)系统中频带宽大致确定,通过接收机灵敏度公式,计算要达到题目要求的系统灵敏度前级低噪放的噪声系数,大致计算LNA的NF小于3就可以。实际流出余量,当然越小越好,我们用的LNA.NF=1.3,Gain=25dB。(3)混频器选择。有源与无源混频均可,无源噪声小,动态范围大。有源混频增益高。无源混频中频频谱非常干净,但是较小。考虑到后级中频方便处理,最终我们选择有源混频。首先大致测量一下混频器满足我们可以接受的容易处理的中频信号幅度要求下,最小输入信号能到多小。由此分配前级增益。同时要兼顾考虑系统噪声。有源混频器选择比较常用的AD831满足中频输出功率可接受范围内,,大致测量输入最小可到100微伏。于是前级需要增益40dB。考虑动态范围,于是两片LNA级联,此时要注意LNA的1dB功率压缩点和三阶交调功率点。有的LNA这二者指标都比较小,本题目要求有40dB的动态范围,动态范围依靠插入程控衰减器来保证。信号功率接近三阶交调点时,三次谐波会和基波混频后产生二次谐波,中频滤波器是无法滤掉的,会造成基带信号幅度抖动,滤波器极难滤除。所以在保证NF足够小时,LNA自身动态范围也应尽量大些。(4)中频由于是单频信号,大增益放大是可行的,我们采用的是低噪声运放,动态范围较射频放大器宽很多。同时匹配前级晶体滤波器的高阻输出。低噪依然是重点,中频我们插入有效值检测芯片,设定阈值功率,通过MCU反馈控制前级射频衰减器,比较粗糙的自动增益控制,主要保证前级低噪放不会过载。由输入信号动态范围以及LNA的输出功率1dB压缩点可计算估计线性范围的临界阈值功率,结合有效值检测芯片特性,得到控制功率阈值,作为参量单片机控制。我们当时为了避免模块电路过多。避免连接问题,将程控衰减器芯片和LNA做在一块PCB上,构成射频程控放大器模块。数字信号和高频模拟信号的共存又是一个比较重要的问题。微伏级别的模拟信号极其敏感。后来调试也验证了这个问题。(5)基带部分。通过双二极管包络检波得到基带信号,我们用精密运放搭了一个八阶的带通滤波器(训练时一个队友系统的练习了各种滤波器的设计,搭建与调试,从高频到低频,无源到有源,晶体到陶瓷,小信号滤波到功率滤波器。给队友点赞!)得到频谱干净的基带正弦信号。(6)基带AGC。常用的峰值检测反馈的AGC电路时常数过大调整速度慢,而且会给基带信号引入时常数对应频率的包络。所以采用真有效值检波反馈。实测效果较好。(7)本振。本振采用PLL。为方便调试选择内置VCO的。具体电路是直接参考数据手册的。为了防止本振对前级的影响,本振单独放在一个屏蔽盒内,单独供电。即便这样,第三天晚上还出了一个小插曲,惊出一身冷汗。系统基本搭好,测试前级,测到300M时突然发现中频信号崩了。测301M,中频没问题,299M中频也没问题。怀疑前级射频管300M谐振,因为已经加了屏蔽盒,之前已经知道屏蔽盒作为一个腔体可能会谐振。又一级一级拆开,通过矢网和频谱仪测试增益等都没有问题。怀疑混频器问题,查AD831手册发现,这货在300M各项指标都有一个劣化点,当时的心态就是:瞬间爆炸。这个时候换器件绝对来不及了。我们断开自制锁相环本振,所有信号都由仪器输入,发现没有问题,那问题就在锁相环了。为了频率稳定,我们使用了温补晶振作为锁相环的基准频率,而温补晶振由于内部电路,工作时电流非常大(500mA),导致其自身信号串扰到系统电源线上,其频率为100M三次谐波恰好300M。重新调整完后才感觉上衣已经汗湿贴在身上(囧)。(8)系统电源部分,队友实力carry,采取线性稳压加滤波,实测带载纹波小于1mV。各部分供电相互隔离,防止串扰。小信号系统,电源非常的关键。赛区测试成绩为赛区第一,复测时之前的指标都测的比较好。最后指标:频率上限1.2G(10uV输入),下限30M,灵敏度:-110dBm(0.707uV),系统动态范围60dB,功耗9V*0.8A中频带宽14KHZ,基带AGC动态范围40dB(这个队友后来有所调整,记不清了)个人感觉这届的题目难度比上届高了好几个数量级,各个模块电路都非常关键。整体要求较高。需要有非常充分的电路知识储备,调电路经验,以及芯片选型储备。备赛期间,我和队友调试了TI和ADI绝大多数的模拟芯片。为了准备小信号类题目,我和队友调试了MiniCircuts、RFMD等四五十种LNA,MMIC等。TI和ADI的大多数精密运放。队友甚至调了一个20W的高频功放。单片机队友从PLL,DDS调试,到各种ADDA芯片,高速的,精密的,到各种屏幕界面控制,再到数字滤波算法,各种优化算法。光焊好备用的STM32单片机就准备了10块(笑)。高考都没这么狠的准备。高频题目的确比较拼器件,但是得足够了解器件的特性,才能快速选型,节约比赛时间。个人觉得,最默契的团队配合莫过于将自己负责的模块指标性能调到最佳,不给队友留麻烦。最后,也是非常感谢实验室老师给予的指导,感谢两位可爱的队友。九月三日公布全国复测成绩,也是自己生日,愿自己曾经的努力成果在生日这天成为自己的生日礼物(笑)欢迎各位选F题的小伙伴们一起交流。9月26日更新,最终结果,国一。9月28日补充:补充一:评论区有小伙伴说土豪的,其实,我们当时在训练的时候,老师只管给指标,材料问题都是自己解决,虽然之后学院会给报销。芯片和管子用的基本都是拆机货,原装十来块的拆机也就一两块,但是拆机货有风险。经常出现的问题是,不知道是板子的问题还是芯片的问题,这个要折腾好久,要是凑巧连着几片都是坏的,调的你怀疑人生。三月份开始系统训练,而且这些芯片还都是自己和队友对着手册一个一个比较挑选出来,还要验证对比实际做板调出来。很花时间。三月到八月,我电脑上光PCB就画了两个多G。队友那还有一堆。补充二:要说模拟芯片,个人觉得ADI芯片无论是种类还是性能都要较TI的芯片好用些。之前在TI官网上申过样片,我和队友,包括实验室的其他小伙伴,很少有能调出手册给的参考指标,或许真的是我个人太菜了,TI爸爸我参透不了。也有买新的片子个拆机片子做对比,以及和样片做对比。积累了一些经验,例如opa695样片和拆机片在400M左右都会有一个不太明显的陷波点,原装新的没有。原理不清楚。射频管一般拆机的增益都会有所降低,而且带内平坦度也变差。诸如此类,芯片失效的机理觉得蛮有意思。可以通过这些大致判断到底是芯片的锅还是板子没做好。这也是买不起新片子自己琢磨出来的一些操作吧。也通过类似于这样的经验检查出了某宝上一些二手拆机充当原装新片的操作。同时TI的样片可信度不高。实际发现,系统没跑起来,出问题的大多数是TI的芯片。我不是黑TI,我的使用体验就是这样子。