高低頻電路設(shè)計與制作精選(九篇)

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第1篇：高低頻電路設(shè)計與制作范文

【關(guān)鍵詞】直接數(shù)字式頻率合成器；AD9835；低頻掃頻儀；發(fā)射機

1.引言

直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digi-tal Synthesizer，DDS)是通過相位累加、查表輸出直接合成所需波形的技術(shù)。DDS技術(shù)具有頻率分辨率高、頻率切換速度快和頻率切換時相位連續(xù)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于掃頻儀、函數(shù)信號發(fā)生器、雷達(dá)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)中。本文將介紹一種用ADI公司DDS芯片AD9835實現(xiàn)100Hz～10MHz掃頻儀發(fā)射機設(shè)計的方案。

2.DDS技術(shù)原理

正弦波的幅度根據(jù)以下公式變化：

(1)

其變化是非線性的，不易于產(chǎn)生。然而，角度變化是線性的，即相位在單位時間內(nèi)變化一個固定量。角度變化規(guī)律與頻率的關(guān)系為：

(2)

如圖1所示。

由于相位隨時間線性變化，在給定時間內(nèi)相位變化為：

(3)

從而有

(4)

此處為參考時鐘頻率周期，即：，代入式(4)中可以得到

(5)

如圖2所示，DDS芯片一般內(nèi)部包含相位累加器、正弦表和輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，核心是相位累加器。相位累加器以循環(huán)計數(shù)的形式從0～計數(shù)，由主時鐘驅(qū)動。相位累加器計數(shù)值為相位值經(jīng)查表轉(zhuǎn)換為幅度值送入DAC輸出對應(yīng)幅度。設(shè)相位累加器為N位，則：

(6)

所以DDS的輸出頻率為：

(7)

式中：f為輸出信號頻率，，為參考時鐘。通過設(shè)置頻率字即可控制輸出頻率，當(dāng)時，輸出頻率最低，即頻率分辨率：

(8)

最高頻率理論上由奈奎斯特抽樣定理決定：

(9)

實際器件最大頻率只能做到參考時鐘的40%左右。

3.AD9835介紹

AD9835是ADI公司生產(chǎn)的一款50MHz直接數(shù)字頻率合成器、波形發(fā)生器。在單個CMOS芯片內(nèi)集成了32位相位累加器、余弦表和10位電流DAC。提供相位調(diào)制和頻率調(diào)制兩種調(diào)制能力，最高支持50MHz時鐘頻率。

該芯片由5V單電源供電，工作功耗僅200mW，具有關(guān)斷功能，用戶可使用一個關(guān)斷位在不用時關(guān)斷AD9835，將功耗降低至1.75mW。AD9835頻率控制精度可達(dá)40億分之一，在50MHz最大時鐘頻率下可以實現(xiàn)0.012Hz頻率精確度。

AD9835內(nèi)部含兩個頻率寄存器、四個相位寄存器，輸出頻率和相位可以由程序選擇、也可以由引腳電平高低選擇來自哪個寄存器，因而很適合調(diào)制應(yīng)用，如FSK、PSK等。該芯片同時具有低功耗特性，可用于信號發(fā)生器應(yīng)用，如低頻信號發(fā)生器、本振等。AD9835的控制接口為三線串行接口，一個寫入周期寫入16位數(shù)據(jù)，采用外部寫入時鐘，寫入時鐘最高20MHz，常與DSP、單片機等控制器連接。

高頻掃頻儀的上限可以到幾個GHz，但下限往往不能太低，通常在10kHz左右。在音頻器件測試中，往往需要測到10kHz以下。因而需要很窄的掃頻帶寬和很小的頻率間隔。AD9835的低成本、低功耗、高精度特性剛好適合這種需求。

4.發(fā)射機電路設(shè)計

本發(fā)射機能夠?qū)崿F(xiàn)100Hz掃頻帶寬下100個點掃頻，即精確到1Hz。輸出幅度在50Ω負(fù)載上1mVrms-1Vrms可調(diào)。電路整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(1)AD9835芯片電路設(shè)計。

本發(fā)射機中，AD9835電路如圖4所示。

掃頻儀發(fā)射機的設(shè)計中，最重要的就是幅頻特性要平坦。否則，測得的濾波器網(wǎng)絡(luò)幅頻特性就不是實際器件的反映。DDS的一個特性就是輸出幅度隨頻率增大而明顯下降。在高頻DDS，如AD9854等，中設(shè)計了專門彌補這一下降的反辛格濾波器。此處我們要得到的頻率并不很高，但也有衰減。所以，在AD9835的第一引腳，即FSADJ，接到DAC進(jìn)行微調(diào)幅。

(2)低通濾波器設(shè)計。

DDS的另一個特性是輸出雜散大，必須在輸出端加濾波器來抑制時鐘信號。DDS的輸出端濾波器一般用下降陡峭的橢圓濾波器，但橢圓濾波器通帶內(nèi)有起伏，巴特沃斯濾波器通帶平坦，但下降較慢。為了實現(xiàn)通帶平坦的特性，同時保證有效抑制時鐘信號，我們采用200Ω匹配的高階巴特沃斯濾波器。

需要注意的是AD9835為單端輸出，需要采用交流耦合。

(3)放大、衰減電路設(shè)計

發(fā)射機要實現(xiàn)1mVrms-1Vrms的幅度可調(diào)，必須有增益可調(diào)電路。為了保證信號最好的信噪比，我們采用先放大，后衰減的方法。電路的可調(diào)幅度必須大于60dB。我們作如下設(shè)計，通過AD9835的第一引腳實現(xiàn)10dB任意可調(diào)，濾波器端輸出經(jīng)過兩級放大器放大到1Vrms，末級放大器要用功放，功放出來的信號進(jìn)入10dB步進(jìn)的50dB可調(diào)衰減器輸出。

(4)發(fā)射機PCB中的接地與布局

由于采用了DDS芯片，發(fā)射機中既有模擬部分，也有數(shù)字部分。在進(jìn)行PCB制圖時需注意模擬地(AGND)、數(shù)字地(DGND)的隔離，然而模擬地、數(shù)字地又必須接到一起。一種常見的隔離技術(shù)是采用單點接地，即模擬地、數(shù)字地僅在一點連到一起。如果PCB中僅AD9835芯片需要區(qū)分AGND與DGND，則兩地的連接點最好設(shè)在離AD9835的AGND、DGND引腳處。

在AD9835芯片下面不能走數(shù)字信號線，因為數(shù)字信號線會使噪聲耦合到輸出信號中。電源引線應(yīng)盡量粗，減小壓降和電源波動。50MHz時鐘信號需用數(shù)字地敷銅包圍，減小耦合到模擬電路中的噪聲強度。頂層和底層走線最好互相垂直，這樣可以減小兩層信號線間的信號耦合。發(fā)射機最好采用四層板，其中一層為大面積連續(xù)地層，雙面板也能用，但必須合理布線且保留盡可能大面積的底層地。DDS芯片、運放芯片的電源引腳附近必須加0.1uF左右小電容耦合到地，AVDD與AGND耦合，DVDD與DGND耦合。

參考文獻(xiàn)

[1]AD9835數(shù)據(jù)手冊.Analog Devices.

[2]Walter G.Jung,OP AMP APPLICATIONS.Analog Devices.

[3]王曉元.掃頻儀的原理與維修[M].北京:人民郵電出版社,1985.

作者簡介：

第2篇：高低頻電路設(shè)計與制作范文

【關(guān)鍵詞】2700kHz 寬帶 石英晶體 濾波器

1 2700kHz石英晶體濾波器主要技術(shù)指標(biāo)

2700kHz石英晶體濾波器主要技術(shù)指標(biāo) 見表1。

2 濾波器的設(shè)計

通過對該產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)分析，屬分立式晶體濾波器，其特點是中心頻率低、通帶寬度要求嚴(yán)、阻帶寬度窄、通帶波動范圍小、阻帶衰減抑制高、中心頻率偏差小、端口阻抗阻值低、溫度范圍寬。

根據(jù)該濾波器的特性要求，首先依賴于滿足技術(shù)要求的元件的可實現(xiàn)性。窄帶晶體濾波器可獲得的最大帶寬主要決定于晶體諧振器的電容比，因此帶寬受到限制。對于2700kHz晶體濾波器的實現(xiàn)主要取決于晶體元件的制造技術(shù)和濾波器的線路設(shè)計。采用不等量參數(shù)相同節(jié)設(shè)計法，濾波器所獲得的相對帶寬范圍比較大，從0.3%～1%均采用此方法。針對以上情況試驗最后確定該產(chǎn)品采用不等量參數(shù)相同節(jié)、一臂兩晶體三節(jié)六極點線路形式，共12支晶體。

2.1 電路的選擇

依據(jù)濾波器要求的帶寬，需采用相同節(jié)不等量參數(shù)電路，即在一節(jié)濾波器電路里選用的晶體諧振器的參數(shù)不相同，按照理論設(shè)計兩種晶體諧振器的參數(shù)呈倍數(shù)關(guān)系，圖1為設(shè)計的電路圖。

2.2 晶體諧振器的設(shè)計

由于采用一臂兩晶體三節(jié)六極點線路形式，共12支晶體。根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗、主要技術(shù)指標(biāo)、濾波器的結(jié)構(gòu)和體積。選擇厚度切變的AT切型，依據(jù)工作溫度的要求選擇35°05'的切角，石英晶片選用圓形片尺寸為Φ8.65 ，采用2種電極尺寸Φe= 3.5mm和Φe= 7.0mm

2.2.1 方案確定

由于該產(chǎn)品體積小、溫度范圍寬、頻率穩(wěn)定性要求高，給制作工作帶來了很大的難度，根據(jù)主要技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合設(shè)計原理、濾波器工作原理、電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計及可靠性設(shè)計等方面要求及以往的設(shè)計經(jīng)驗，最終確定的設(shè)計方案如下：

a.晶片選用厚度切變的AT切型，35°05'的切角；

b.采用一臂兩晶體三節(jié)六極點線路形式，共12支晶體；

c.合理安排線路布局，采用電容輸入方法，隔離外部電路的干擾，控制濾波器衰減幅度。

2.2.2 晶體諧振器的頻率確定

寬帶晶體濾波器來說，通帶帶寬于晶體諧振器的等效電感和等效電容有很大關(guān)系，為了獲得盡量寬的通帶寬度，要使得晶體諧振器有盡量寬串并聯(lián)頻率間隔和盡量大的等效電容。大的等效電容需增大被銀電極直徑，但受矩形系數(shù)和阻帶衰減的限制，因此，在選定的電極直徑情況下，獲取盡量大的等效電容和小等效電阻。晶體濾波器的帶外寄生不能完全抑制掉，因此，要抑制晶體諧振器的寄生。

2700kHz晶片選用圓形倒邊片，因為圓形片單頻性好，寄生振動少。圓形倒邊晶片，其串并聯(lián)頻率間隔為，。要獲得最大的串并聯(lián)頻率間隔，需選取合適的滾筒進(jìn)行倒邊，晶體諧振器的參數(shù)見表2。

2.3 濾波器調(diào)試

調(diào)整電容和變量器初級線圈的匝數(shù)，觀察網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示屏上濾波器的衰減曲線并測試數(shù)據(jù)，使特性曲線達(dá)到最佳狀態(tài)。主要質(zhì)量問題：波動超差、阻帶衰減達(dá)不到要求。

原因分析：該濾波器高低溫波動大于2.5dB，常溫情況下阻帶衰減難以達(dá)到技術(shù)要求。經(jīng)過實驗和對問題的分析，制定相應(yīng)的解決方法。

（1）低頻石英晶體元件參數(shù)變化引起波動幅值變化。

溫度實驗時，通帶波動大于2.5dB，通過分析和實驗對晶片的切角及誤差，誤差進(jìn)修正，修正后的切角為35 ?05′±1′，工作溫度范圍內(nèi)的頻率溫度系數(shù)≤35ppm，對晶體諧振器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，在裝配時，選擇晶體諧振器等效電容、等效電阻、頻率等參數(shù)相近的裝配。

（2）濾波器的分布電容控制難度大，影響阻帶衰減。

由于體積的限制，元件的排線較為擁擠，分布電容較大，對濾波器的調(diào)試產(chǎn)生較大的影響，通過合理安排線路布局，調(diào)整濾波器衰減幅度。

（3）繞制電感線圈采用的是鐵氧體環(huán)形磁芯，其溫度系數(shù)對濾波器特性產(chǎn)生影響。

在差接橋型寬帶晶體濾波器中，影響濾波特性溫度穩(wěn)定性的，則主要是電感線圈和電容器的溫度穩(wěn)定性，鐵氧體環(huán)形磁芯其導(dǎo)磁率隨溫度變化而發(fā)生改變，通過對鐵氧體環(huán)形磁芯批次進(jìn)行篩選，挑選與晶體諧振器和電容溫度系數(shù)相匹配的鐵氧體環(huán)形磁芯，繞制的電感線圈滿足濾波器的溫度特性要求。

3 濾波器的測試

按照上述設(shè)計方案，通過濾波器的裝配、高低溫篩選、老化、封裝。經(jīng)測試濾波器符合技術(shù)指標(biāo)要求。其測試結(jié)果見表3。

從測試數(shù)據(jù)可以看出，測試結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

通過此次濾波器的設(shè)計和制作，在晶體濾波器的理論上對不等量參數(shù)相同節(jié)的設(shè)計方法有了更深的認(rèn)識，在濾波器的調(diào)試中，高低溫工作狀態(tài)是制作中的重點。不等量參數(shù)相同節(jié)晶體濾波器電路是寬帶濾波器較好的設(shè)計方法，對其他頻率段也進(jìn)行了嘗試，獲得了滿意的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1]馮志禮，王之興.晶體濾波器[M].北京：宇航出版社，1987，P181-184.

[2]Zverev A.L.Hand book of filter synthesis ，Wiley，1967.

[3]周浩中等.帶寬晶體濾波器的實現(xiàn)方法[J].壓電晶體技術(shù)，1997（01）.

[4]矯志偉.高頻中等帶寬濾波器的研制[J].壓電晶體技術(shù)，1988（01）.

[5]李忠誠.現(xiàn)代晶體濾波器設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，1981，227.

第3篇：高低頻電路設(shè)計與制作范文

3.大連理工大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)部， 遼寧，大連116024; 4.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 大連116024)

摘要：給出了將無線傳感技術(shù)用于低頻結(jié)構(gòu)振動檢測，以判定其結(jié)構(gòu)壽命和損傷情況的無線振動檢測系統(tǒng)的設(shè)計方法。提出了系統(tǒng)的總體架構(gòu)；分析了加速度傳感器的選取方法，從而完成了無線傳感節(jié)點與基站的設(shè)計；并用實驗驗證了無線檢測系統(tǒng)的低頻特性。結(jié)果表明：這一種低頻無線振動檢測系統(tǒng)具有良好的低頻性能，且無線節(jié)點無需布線、方便安裝，十分適合應(yīng)用在低頻結(jié)構(gòu)物的振動檢測中，具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：低頻結(jié)構(gòu)； 振動檢測； 加速度； 無線傳感節(jié)點； 基站

中圖分類號：TN99文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：20951302(2011)04003704

Development and Experiment of the Wireless Lowfrequency Vibration Detection System 

LI Zhirui1, YU Yan1, ZHOU Lei2 ZHANG Chuanjie2, WANG Jie3, OU Jinping4

(1.School of Electronic Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;

2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China;

3. Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;

4. School of Civil and Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Abstract： Vibration detection is an effective means to determine the injuries and remaining life of such lowfrequency structures as offshore platform. This paper presents a wireless lowfrequency vibration detection system based on wireless sensor technology. Firstly, the architecture of overall system is proposed, secondly, the lowfrequency acceleration sensor is selected, and then wireless sensor node and base station are integrated; finally, an experiment is conducted to verify the system′s low frequency characteristics. The experimental results show that the wireless lowfrequency vibration detection system has a satisfactory lowfrequency performance, and wireless sensor nodes need no cabling and are easy to install, therefore it is suitable to be applied to lowfrequency structures with a wide application foreground and practical value.

Keywords： lowfrequency structures; vibration detection; acceleration; wireless sensor node; base station



收稿日期：20110325

基金項目：國家863項目“基于振動檢測的現(xiàn)役海洋平臺結(jié)構(gòu)安全評估技術(shù)研究”(2008AA092701)的資助。

0引言

大型土木工程結(jié)構(gòu)(如海洋平臺、大壩、懸索橋等)在其服役期間，往往會受到各種環(huán)境荷載的共同作用而產(chǎn)生各種形式的振動，這些振動一般以低頻為主，是一類低頻結(jié)構(gòu)物。一般地說，低頻振動是指頻率在5~10 Hz以下的振動,由于其振動加速度值不大，對人的直觀感受影響較小，因而常常被人們忽略［1］。但是，對于這些大型工程結(jié)構(gòu)而言，長期持續(xù)的振動卻會影響結(jié)構(gòu)的正常運行以及結(jié)構(gòu)物的強度與壽命，嚴(yán)重的還會對結(jié)構(gòu)造成損壞。因此，對這些大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損振動檢測，確保其工作的安全性、可靠性是一個重要的研究課題。

振動檢測的基本原理是利用傳感器提取結(jié)構(gòu)物的振動信號，通過智能算法對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后獲知結(jié)構(gòu)的損傷情況以采取相應(yīng)的措施［2］。目前對結(jié)構(gòu)的無損振動檢測，主要是測量加速度參量，再經(jīng)過一次或兩次積分得到速度或位移參量。因此，基本的工作就是對結(jié)構(gòu)振動數(shù)據(jù)的采集，即對加速度信號的獲取。因此，低頻加速度傳感器的選取是測量精度高低的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的振動檢測多采用有線的方式測量振動數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析、處理與判斷。但是，對于大型土木結(jié)構(gòu)而言，有線方式存在難以布線、耗資巨大、后期維護(hù)困難等問題［3］。隨著無線傳感技術(shù)的發(fā)展，用無線代替有線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸更為方便和快捷。

本文運用基于ZigBee的無線星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計，并在分析選用低頻加速度傳感器的基礎(chǔ)上，采用模塊化方法制作無線傳感節(jié)點與基站，最后通過實驗對無線振動檢測系統(tǒng)的低頻特性進(jìn)行驗證。

1無線振動檢測系統(tǒng)架構(gòu)

無線振動檢測系統(tǒng)實際上就是現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在振動檢測領(lǐng)域的一種應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)等發(fā)展起來的一門新型交叉學(xué)科。它由放置在監(jiān)測環(huán)境內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點組成，這些傳感器節(jié)點集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，它們通過無線信道相連，自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［4］。一般來講，整個系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分和數(shù)據(jù)處理部分。無線振動檢測系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1無線振動檢測系統(tǒng)架構(gòu)圖

本研究選用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計，它由一個基站和多個無線傳感節(jié)點組成?；咀鳛橹醒牍?jié)點，主要負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)中的各傳感節(jié)點發(fā)送響應(yīng)指令，接收各傳感節(jié)點傳送數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理；各傳感節(jié)點用來響應(yīng)基站指令并對振動信號進(jìn)行采集，最后將振動數(shù)據(jù)以無線數(shù)據(jù)包的形式發(fā)給基站。

2無線傳感節(jié)點的設(shè)計

無線傳感節(jié)點是無線振動檢測系統(tǒng)的重要組成部分，它是利用現(xiàn)有的MEMS技術(shù)和嵌入式技術(shù)器件集成起來的。節(jié)點采用模塊化的設(shè)計方式［5］，由超低頻加速度傳感器、傳感器接口單元、微處理器、無線模塊、存儲器、電源管理模塊等部分組成。圖2所示是無線傳感節(jié)點的組成框圖。

2.1加速度傳感器的選取

超低頻振動信號檢測屬于弱信號檢測范疇，對加速度傳感器的低頻特性、靈敏度等要求較高。由于振動頻率低, 一般傳感器的機械固有頻率難以達(dá)到，可能導(dǎo)致在測量時，傳感器的信噪比低,輸出信號極其微弱, 完全“淹沒”在噪聲中而難以拾取。因此，低頻加速度傳感器的選取是一個關(guān)鍵，其性能優(yōu)劣直接影響到被測信號的精度與有效性。

圖2無線傳感節(jié)點模塊圖

經(jīng)過比較，本設(shè)計選取力平衡傳感器作為低頻振動加速度信號的拾取單元。力平衡式加速度傳感器一般先將被測量轉(zhuǎn)換成力或力矩，然后用反饋力調(diào)節(jié)平衡系統(tǒng)的閉環(huán)傳感器。它的設(shè)計是通過激勵信號調(diào)制、解調(diào)，加入力反饋進(jìn)行電壓輸出進(jìn)行的。輸出電壓的大小與電容極板運動位移成正比，而電容極板的位移量與傳感器外殼體運動的加速度成正比。因此，電容中間極板的輸出電壓所對應(yīng)的就是傳感器殼體的運動加速度［6］。

力平衡加速度傳感器目前主要應(yīng)用于超低頻和低加速度的測量，同時具有動態(tài)范圍大、測量精度高等特點。

2.2無線傳感節(jié)點硬件電路

加速度傳感器與傳感器接口單元配合使用可構(gòu)成數(shù)據(jù)采集單元。傳感器接口單元則由多路選擇器(MUX)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)構(gòu)成，多路選擇器用于加速度通道的選取，模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于實現(xiàn)模擬量(電壓信號)到數(shù)字量的A/D轉(zhuǎn)換。

微處理單元(MCU)可選用TI公司的高性能16位微處理器MSP430F5438，該處理器具有良好的低功耗特性，可滿足無線傳感節(jié)點低功耗和快速數(shù)據(jù)處理的設(shè)計要求；存儲單元選用NAND型大容量Flash存儲器，該存儲器具有體積小、存儲容量大等特點，可滿足對大量振動數(shù)據(jù)的緩存處理要求。

無線傳感節(jié)點選用具有安全、可靠、可充電的集成+24 V鋰電池進(jìn)行供電。由于傳感節(jié)點各模塊單元所需電壓不盡相同(需要±15 V、±12 V、+3.3 V電壓)。為了獲得各模塊所需電壓以及減少電壓紋波影響，電源電路設(shè)計采用兩級變換結(jié)構(gòu)。第一級采用DC/DC芯片實現(xiàn)+24 V到±15 V以及+3.3 V的變換，第二級采用LDO芯片實現(xiàn)±15 V到±12 V的變換。

2.3無線模塊設(shè)計

無線模塊用于數(shù)據(jù)的無線交互，實現(xiàn)傳感節(jié)點與基站間的數(shù)據(jù)無線傳輸。本文采用基于ZigBee無線通信協(xié)議的芯片進(jìn)行設(shè)計。ZigBee是工作在ISM(工業(yè)科學(xué)醫(yī)療)頻段的專注于低功耗、低成本、低速率的短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

無線模塊由無線射頻芯片CC2520與放大前端CC2591及其電路組成。CC2520是TI公司符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的第二代ZigBee低功耗射頻收發(fā)器，工作于2.4 GHz的ISM免許可證頻段。CC2591是一種工作在2.4 GHz的射頻放大器，能夠提高無線信號的發(fā)射功率和接收靈敏度，增加無線信號的強度和傳輸距離［7］。

3基站

基站可由無線模塊、串口服務(wù)器、PC機以及嵌入式采集軟件構(gòu)成。無線模塊主要用于與無線傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)交互，通常由一個控制端和多個通信端組成。控制端用于向各傳感節(jié)點發(fā)送指令，建立通信網(wǎng)絡(luò)；通信端用于接收傳感節(jié)點發(fā)送過來的振動數(shù)據(jù)包。由于振動數(shù)據(jù)量比較大，無線通信采用的是點對點的通信方式，即一個無線傳感節(jié)點對應(yīng)一個通信端。

無線模塊與PC機通過串口方式相連。目前,通過PC機的RS 232串行接口與外部設(shè)備進(jìn)行通訊,是許多測控系統(tǒng)中常用的一種通信解決方案。但是，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，PC機上預(yù)留的串口越來越少，有些更是沒有串口，無法滿足本設(shè)計對串口的需求，需要進(jìn)行擴展。本設(shè)計選用USB型串口服務(wù)器，它可以把串口接收的數(shù)據(jù)以USB的方式傳送到PC機中，而且具有靈活、簡單、方便、快捷等優(yōu)點。

PC機中嵌入的智能采集軟件主要完成端口配置，同時完成發(fā)送指令、建立網(wǎng)絡(luò)，接收數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理等功能。通常由基本設(shè)置、實時采集、歷史波形查看、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、數(shù)據(jù)分析等模塊組成。

4實驗與數(shù)據(jù)分析

設(shè)計一個單擺實驗裝置可進(jìn)行低頻振動實驗。由單擺的周期公式T=2πl/g可以看出，擺長不同，則周期(頻率)不同。同此可見，控制擺長就可以得到我們所需要的低頻信號。

雙線擺低頻振動實驗方案圖與實驗現(xiàn)場圖分別如圖3和圖4所示。

圖3單擺實驗方案框圖

圖4單擺實驗實物圖

將有線加速度傳感器與無線加速度傳感器共同放置在單擺裝置的吊籃中心位置處，并用強磁鐵緊緊固定，有線傳感器與NI的采集儀(PXI-4472)相連進(jìn)行振動信號采集。無線傳感器與無線傳感節(jié)點相連，并通過與基站的無線交互，可實現(xiàn)振動信號的提取。

實驗中，可對單擺進(jìn)行激勵以使其擺動，并盡量控制振幅，使其在擺角＜5°的小振幅下做阻尼擺動。然后用無線與有線同步采集，采集頻率均為100 Hz。利用Matlab對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再比較有線與無線的時域與頻域波形。設(shè)置擺長為0.9 m和2.2 m進(jìn)行實驗的時域與頻域分析圖如圖5與圖6所示。

通過時域圖可以看出，無線與有線波形基本吻合，頻域方面對一階頻率進(jìn)行差別計算，差別=(實測結(jié)果-單擺固有頻率)/單擺固有頻率，單位為%。表1和表2所列分別是0.9 m和2.2 m擺長時，無線與有線的頻率比較，由表1與表2可見，其差別很小，均在可控范圍內(nèi)。也可對無線與有線的相對誤差進(jìn)行計算，0.9 m時的相對誤差為Ef=|fwireless-fwire|/fwire≈0.39%；2.2 m時的相對誤差為Ef=|fwireless-fwire|/fwire≈1.19%。實驗結(jié)果比較好的反映了單擺的低頻振動特性。另外，無線傳輸誤差較大的原因是存在數(shù)據(jù)丟失的問題，也是下一步將進(jìn)行改進(jìn)的課題。

圖50.9m擺長時域與頻域分析

圖62.2 m擺長時域與頻域分析

表1無線與有線頻率比較(0.9m擺長)

無線有線固有頻率

1st0.5290.5270.525

差別0.760.38

[LL]

表2無線與有線頻率比較(2.2 m擺長)

無線有線固有頻率

1st0.3410.3370.336

差別1.490.30



從圖形和誤差分析可以看出，無線低頻檢測系統(tǒng)能很好地反映低頻信號的振動情況，低頻性能良好、無線傳輸可靠，適合應(yīng)用于低頻結(jié)構(gòu)的振動測試當(dāng)中。

5結(jié)論

本文針對低頻結(jié)構(gòu)的振動檢測，結(jié)合無線傳感技術(shù)，給出了一種無線低頻振動檢測系統(tǒng)的設(shè)計方法。該系統(tǒng)集成了低頻加速度傳感器、無線傳感節(jié)點、基站等裝置。為驗證該系統(tǒng)的低頻性能，本文還給出了單擺實驗裝置。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)適合應(yīng)用在低頻結(jié)構(gòu)的振動檢測中。所設(shè)計的無線傳感節(jié)點具有低功耗、無需布線、可超低頻測量等特點，本設(shè)計與基站配合構(gòu)成的檢測系統(tǒng)為低頻結(jié)構(gòu)振動檢測提供了一種新方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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第4篇：高低頻電路設(shè)計與制作范文

電子信息工程技術(shù)專業(yè)是電子信息技術(shù)與計算機技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是電子技術(shù)和信息技術(shù)方面較寬口徑專業(yè)。電子信息工程技術(shù)專業(yè)是通過學(xué)習(xí)電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息系統(tǒng)相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)具有能夠從事電子產(chǎn)品及設(shè)備的技術(shù)開發(fā)、工藝編制、質(zhì)量控制管理、安裝調(diào)試、技術(shù)服務(wù)和企業(yè)生產(chǎn)管理等工作崗位，具有職業(yè)生涯發(fā)展基礎(chǔ)的高技術(shù)技能型人才。電子信息工程技術(shù)專業(yè)是一門理論聯(lián)系實際，注重實踐操作、實驗運用的專業(yè)學(xué)科。實驗課、實踐課是本專業(yè)課程的重要組成部分，也是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、實操技巧及其創(chuàng)新素養(yǎng)的重要途徑。然而現(xiàn)階段，在專業(yè)課程實驗教學(xué)中存在的問題層出不窮，實驗教學(xué)情景不容樂觀，效果不理想。如何提高實驗教學(xué)的有效性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)企業(yè)發(fā)展需要的高技術(shù)技能型人才？筆者結(jié)合多年來的教學(xué)經(jīng)驗，淺析了電子信息工程技術(shù)專業(yè)實驗教學(xué)中存在的問題，及其實驗教學(xué)改革的探討與實踐。

1 電子信息工程技術(shù)專業(yè)課程實驗教學(xué)存在的問題

1.1 實驗教學(xué)的思想和觀念落后

現(xiàn)階段，隨著科學(xué)技術(shù)與實驗手段的不斷發(fā)展，實驗實訓(xùn)對教學(xué)活動的作用越來越大。實驗活動教學(xué)能有效地將專業(yè)理論與實踐活動結(jié)合起來，在加深學(xué)生對基礎(chǔ)知識理解和把握的同時，提高了學(xué)生動手操作能力、獨立探索能力，激發(fā)了學(xué)生科學(xué)研究的興趣，樹立了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識和習(xí)慣，大大提高了教學(xué)活動的有效性。但是，目前大部分高校的電子信息工程技術(shù)專業(yè)的實驗教學(xué)理念落后，實驗教學(xué)思想守舊，存在重理論輕實驗的現(xiàn)象較為普遍。在教學(xué)活動中許多老師過于強調(diào)理論知識的重要性、完整性，忽視了實驗實訓(xùn)課程的教學(xué)。甚至有些教師由于“應(yīng)試教育”思想的影響，對實驗教學(xué)存在片面的認(rèn)知，認(rèn)為實驗教學(xué)僅服務(wù)于理論知識的教學(xué)。實驗教學(xué)的重要性沒有引起廣大教師的重視，阻礙了電子信息工程技術(shù)專業(yè)實驗教學(xué)的改革發(fā)展進(jìn)程。

1.2 實驗教學(xué)的內(nèi)容陳舊

實驗教學(xué)是電子信息工程技術(shù)專業(yè)課程教學(xué)的重要組成部分（特別在高職教育方面，要求達(dá)1∶1），也是提高學(xué)生專業(yè)技術(shù)技巧，培養(yǎng)學(xué)生實操能力和創(chuàng)新思維的重要保障。實驗內(nèi)容是實驗活動的靈魂主體，直接影響實驗教學(xué)成效的關(guān)鍵因素。在目前電子信息工程技術(shù)專業(yè)課程實驗教學(xué)中，實驗教學(xué)成效不明顯，教學(xué)有效性不高。究其原因主要是由于實驗內(nèi)容陳舊，脫離了電子信息工程技術(shù)實際發(fā)展的需要，與企業(yè)應(yīng)用的新技術(shù)脫節(jié)。在實驗課程教學(xué)中，只局限于演示性、驗證性的實驗項目，而應(yīng)用性、論證性、綜合性的實驗項目較少。特別是隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，專業(yè)課程資源、教材更新變化快速的情境下，課程教學(xué)實驗仍然沿襲采用多年前編寫的講義、指導(dǎo)書，導(dǎo)致了教學(xué)與技術(shù)發(fā)展相脫離、相沖突的現(xiàn)狀。

1.3 實驗教學(xué)的方式方法呆板單一、過于程序化

實驗教學(xué)法，是指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，使用一定的設(shè)備和材料，通過控制條件的操作過程，引起實驗對象的某些變化，從觀察這些現(xiàn)象的變化中獲取新知識或驗證知識的教學(xué)方法。學(xué)生是實驗教學(xué)活動的主體和核心，教師在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)扮演的角色是組織者、引導(dǎo)者。但在電子信息工程技術(shù)專業(yè)實驗教學(xué)中，大部分教師“包辦”實驗教學(xué)，形成以教師為中心的說教式教學(xué)模式。學(xué)生的主體地位得不到體現(xiàn)，學(xué)生只是對實驗步驟、實驗計劃按部就班的操作演練，實驗教學(xué)方式方法呆板單一、過于程序化。通過實驗教學(xué)，學(xué)生的創(chuàng)新意識、邏輯思維得不到提高，學(xué)生無法找到實驗教學(xué)所具有的樂趣和魅力，從而缺少對實驗教學(xué)的興趣和熱情，大大降低了實驗教學(xué)活動的效果。

1.4 實驗教學(xué)的儀器、設(shè)備落后、陳舊

實驗教學(xué)的儀器、設(shè)備是實驗教學(xué)活動的基礎(chǔ)前提。因此，確保實驗教學(xué)器材、設(shè)備的先進(jìn)性是各大高校實驗課程教學(xué)的首要任務(wù)，也是提高實驗教學(xué)成效的重要組成部分?，F(xiàn)階段，隨著電子信息工程技術(shù)的不斷發(fā)展，實驗儀器、實驗設(shè)備也不斷更新?lián)Q代。然而高校專業(yè)課程教學(xué)活動中的實驗設(shè)備仍較為落后、陳舊，很大部分停留在教學(xué)設(shè)備不是企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，與企業(yè)先進(jìn)的實際應(yīng)用設(shè)備有很大的差距，很大程度上影響了實驗教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，降低了實驗教學(xué)的有效性。學(xué)校對實驗課程教學(xué)的儀器、設(shè)備的投資資金相對較少、實驗建設(shè)資金不足，實驗經(jīng)費短缺，儀器設(shè)備陳舊，儀器性能較差等等問題。形成了高校專業(yè)課程實驗教學(xué)所培養(yǎng)的電子信息技術(shù)人才與社會企業(yè)發(fā)展所需要的高技術(shù)技能型人才不相符，達(dá)不到現(xiàn)代化企業(yè)人才招聘要求的現(xiàn)狀。

1.5 實驗教學(xué)的開放性不夠

實驗室開放是現(xiàn)代化實驗教學(xué)發(fā)展的必然要求，也是提高學(xué)生實驗?zāi)芰?、?chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生實驗興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨立自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)理念的重要途徑。實驗室開放是指學(xué)校的實驗基地、實驗館為學(xué)生打開大門，學(xué)生可以“自由”利用自己的時間，合理有效地安排實驗實踐練習(xí)、實驗操作任務(wù)。良好的實驗環(huán)境、實驗氛圍能夠提高學(xué)生實驗活動的積極性和主動性，也有利于培養(yǎng)學(xué)生務(wù)實的實驗態(tài)度、實驗創(chuàng)新的能力和自主學(xué)習(xí)能力。但是，現(xiàn)階段各大高校實驗教學(xué)的開放性不夠，學(xué)生開展實驗活動只能在短暫的實驗教學(xué)課程中，只能完成老師規(guī)定的實驗任務(wù)，實驗時間極為有限。

2 電子信息工程技術(shù)實驗教學(xué)改革的對策探討

2.1 轉(zhuǎn)變觀念，提升理論與實驗并重的教學(xué)模式

理論知識是指導(dǎo)實驗活動的前提基礎(chǔ)，而實驗是佐證理論、加深知識理解把握的有效教學(xué)環(huán)節(jié)之一。在電子信息工程技術(shù)專業(yè)課程教學(xué)中，筆者認(rèn)為，教學(xué)活動的第一任務(wù)應(yīng)當(dāng)是轉(zhuǎn)變“重理論輕實驗”的教學(xué)理念（特別是高職院校），堅持理論與實驗并中的教學(xué)模式。這需要在教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)樹立理論、實驗的現(xiàn)代化教學(xué)觀念，注重實驗課程教學(xué)活動的同時，積極轉(zhuǎn)變學(xué)生的實驗觀、學(xué)習(xí)觀，加強學(xué)生對實驗教學(xué)重要性的認(rèn)知。其次，實驗課程是電子信息工程技術(shù)專業(yè)課程體系的重要組成部分，學(xué)校應(yīng)當(dāng)優(yōu)化課程體系，強調(diào)加大實驗教學(xué)課程、特別是專業(yè)核心課程的實驗教學(xué)學(xué)時比重，注重提高對有利于提高學(xué)生電子信息產(chǎn)品設(shè)計能力、創(chuàng)新能力等等實驗課程的教學(xué)課時。如《電子元器件及其應(yīng)用實訓(xùn)》、《單片機應(yīng)用技術(shù)》、《電子產(chǎn)品設(shè)計與制作》和《智能電子產(chǎn)品綜合開發(fā)與制作》等等。

2.2 重視加大實驗教學(xué)內(nèi)容改革

實驗教學(xué)改革是現(xiàn)階段各大高校新課程教學(xué)改革的重要組成部分，也是提高實驗教學(xué)課程有效性，保證實驗教學(xué)質(zhì)量的重要途徑。在重視加大實驗活動課程，保障足量實驗時間的基礎(chǔ)上，還要加強對實驗內(nèi)容的改革，從根本上提高實驗教學(xué)活動的實用性。實驗內(nèi)容直接決定了實驗活動教學(xué)質(zhì)量的高低，也影響著學(xué)生創(chuàng)新能力、實操能力的培養(yǎng)和提高。因此，實驗教學(xué)內(nèi)容的改革是各大高校專業(yè)課程改革的重點和難點。怎樣才能有效的開展實驗教學(xué)內(nèi)容的改革，培養(yǎng)與企業(yè)發(fā)展相適應(yīng)的高技術(shù)技能型人才，滿足我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展對高素質(zhì)人才的需求？第一，與時俱進(jìn)，結(jié)合現(xiàn)階段電子信息技術(shù)發(fā)展中新知識、新技術(shù)，編寫適應(yīng)現(xiàn)代化企業(yè)生產(chǎn)需要的實驗教學(xué)內(nèi)容（項目教學(xué)）。其次，增加具有應(yīng)用性、設(shè)計性、綜合性的實驗項目，減少演示性、驗證性的實驗項目，開設(shè)能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實際應(yīng)用能力的實驗項目。第三，實驗內(nèi)容應(yīng)當(dāng)遵循“由淺入深”“循序漸進(jìn)”的教學(xué)規(guī)律，加強專業(yè)內(nèi)各個實驗、各學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系。

2.3 改革并豐富實驗教學(xué)的方式、方法

教學(xué)方法是教師和學(xué)生為了實現(xiàn)共同的教學(xué)目標(biāo)，完成共同的教學(xué)任務(wù)，在教學(xué)過程中運用的方式與手段。教學(xué)方法在一定程度上決定了教學(xué)活動成敗，正確的教學(xué)方法往往有省時省力、事半功倍的重要作用。改革實驗教學(xué)方法，打破傳統(tǒng)的“照方抓藥式”“說教式”的被動教學(xué)模式，采用以學(xué)生為主體，激發(fā)學(xué)生的實驗興趣的啟發(fā)式、引導(dǎo)式、探索式、總結(jié)方式，創(chuàng)新實驗活動方法，已經(jīng)逐漸成為高校實驗課程教學(xué)改革的方向。在電子信息工程實驗課程教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)注意從以下幾個方面出發(fā)：第一，以“精講”引導(dǎo)為主。教師在實驗活動教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)打破“包辦”的教學(xué)模式，實施以精講引導(dǎo)為主的教學(xué)方法。也就是說在教學(xué)中，教師要加大對實驗基本思想、及其安全注意事項的講解，對實驗步驟、基本操作、實驗可能遇到的問題及結(jié)果等應(yīng)當(dāng)粗講或不講，讓學(xué)生從實驗活動中自主的摸索、思考，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。第二，充分利用現(xiàn)代化的教學(xué)資源和手段，開展多媒體教學(xué)。多媒體教學(xué)可以有效的節(jié)約課堂時間，從而擴大實驗教學(xué)內(nèi)容的信息容量，保障了學(xué)生的動手操作時間的同時，多角度的刺激學(xué)生的感官，吸引學(xué)生的注意力，提高實驗教學(xué)的效果。

2.4 充分利用各種仿真軟件，開設(shè)仿真實驗

仿真實驗是相對于真實實驗而言，是實驗活動發(fā)展的重要歷程。實驗仿真是利用各種仿真軟件技術(shù)（如Proteus、Multisim等），以計算機為載體，在仿真軟件平臺運用相關(guān)編輯菜單對實驗內(nèi)容進(jìn)行簡單的電路設(shè)計，由仿真軟件自動的完成邏輯編譯和程序運行，從而形象生動地演示實驗活動流程和結(jié)果，更易激發(fā)學(xué)生注意力，接近企業(yè)實際操作，能收到更好的實驗教學(xué)后果。軟件仿真實驗有利于提高了實驗電路設(shè)計和調(diào)試的效率，規(guī)避實驗活動風(fēng)險，還有利于節(jié)約實驗成本，減少實驗活動教學(xué)的開銷。比如說，在電子信息工程技術(shù)專業(yè)實驗課程中，包括《電路基礎(chǔ)》、《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《高頻電子技術(shù)》、《單片機應(yīng)用技術(shù)》、《EDA技術(shù)》等課程，從直流電路的簡單實驗到交流電路測試、時域分析、低頻、中頻乃至高頻放大器、脈沖數(shù)字電路及實際應(yīng)用電路設(shè)計和調(diào)試等幾十個實驗項目中，都可以有效的利用仿真軟件技術(shù)，設(shè)計和運行計算機程序，開展仿真實驗教學(xué)。