CN109541315A

CN109541315A - 一种便携式单端口矢量阻抗分析仪

Info

Publication number: CN109541315A
Application number: CN201811497733.5A
Authority: CN
Inventors: 刘涛; 曾羽; 陈铭智; 区健聪; 赵中华
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2019-03-29

Abstract

本发明公开一种便携式单端口矢量阻抗分析仪，包括壳体和设在壳体内的本振信号发生部分、信号处理与分析部分、人机交互部分；本振信号发生部分、信号处理与分析部分、人机交互部分依次连接，本振信号发生部分产生待测信号的激励源和与待测信号存在差频的参考信号进行下变混频再输入信号处理与分析部分，信号处理与分析部分对信号进行分析处理，通过人机交互部分设置多种工作状态并对分析处理后的数据进行显示。该分析仪可直观的由液晶屏幕图形化显示测量数据，也可通过USB数据线连接至PC上位机软件端进行显示和数据存储；本振信号发生部分、信号处理与分析部分、人机交互部分设在壳体内，整机系统集成度高，体积精小，实现了便携式以易于户外测量。

Description

一种便携式单端口矢量阻抗分析仪

技术领域

本发明涉及射频测量和频域分析技术领域，具体是一种便携式单端口矢量阻抗分析仪。

背景技术

射频测量中，我们经常需要测量一个电路的散射参数。散射参数是微波传输中的一个重要参数，是一个电路性能最直观的反映。对于单端口网络我们更加需要关注该网络的S11参数——输入反射系数，也就是输入回波损耗。矢量阻抗分析仪被广泛应用于射频测量工程等领域，尤其是在天线等单端口网络中。在测量分析仪表市场，便携式仪器价格普遍昂贵，并且组成及配件复杂，不易操作。计量仪器的应用场合已经走出实验室，无论是现场校准还是环境保护的现实需求都需要便携式计量仪器，而传统的幅频特性测试仪体积庞大，不便于户外测试，因此低成本、高精度且便携式的阻抗分析仪具有极佳的发展潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具备一般矢量网络分析仪测量单端口器件功能的便携式矢量阻抗分析仪，该分析仪低功耗，低成本，高精度，便于携带。

实现本发明目的的技术方案：

一种便携式单端口矢量阻抗分析仪，包括壳体和设在壳体内的本振信号发生部分、信号处理与分析部分、人机交互部分；本振信号发生部分、信号处理与分析部分、人机交互部分依次连接，本振信号发生部分产生待测信号的激励源和与待测信号存在差频的参考信号进行下变混频再输入信号处理与分析部分，信号处理与分析部分对信号进行分析处理，通过人机交互部分设置多种工作状态并对分析处理后的数据进行显示。

所述的本振信号发生部分，包括第一锁相环信号合成器、第二锁相环信号合成器、第一Π型衰减器、第一Π型衰减器；第一锁相环信号合成器信号输出端与第一Π型衰减器的信号输入端连接，第二锁相环信号合成器信号输出端与第二Π型衰减器的信号输入端连接。

所述的信号处理与分析部分，包括第一巴伦匹配电路、第二巴伦匹配电路、第一混频器、第二混频器、差动放大器、第一ADC预处理电路、第二ADC预处理电路、ARM主控制器、电源稳压电路；第一巴伦匹配电路的信号输入端与第一衰减器的信号输出端连接，信号输出端与第一混频器的信号输入端连接；第一混频器的信号输入端还与第一锁相环信号合成器的信号输出端连接，第一混频器的信号输出端与差动放大器信号输入端连接；第二巴伦匹配电路的信号输入端与第二衰减器的信号输出端连接，信号输出端与第二混频器的信号输入端连接；第二混频器的信号输入端还与第二锁相环信号合成器的信号输出端连接，第二混频器的信号输出端与差动放大器信号输入端连接；差动放大器信号输出端分别与第一ADC预处理电路和第二ADC预处理电路的信号输入端连接，第一ADC预处理电路和第二ADC预处理电路的信号输出端与ARM主控制器信号输入端连接；电源稳压电路与ARM主控制器连接。

所述的人机交互部分，包括输入模块和显示模块，输入模块与ARM主控制器的信号输入端连接，显示模块的信号输入端与ARM主控制器的信号输出端连接。

所述的壳体采用CNC铝合金制成，壳体上设有液晶显示屏窗口、4个按键、按钮、电源开关、micro-USB接口、待测单端口网络输入端口；液晶显示屏窗口安装液晶显示屏，液晶显示屏与显示模块连接；按键和按钮与输入模块连接；micro-USB接口与ARM主控制器连接，ARM主控制器通过micro-USB接口与PC端上位机连接通信；待测单端口网络输入端口与第一巴伦匹配电路的输入端连接；电源开关与电源稳压电路连接。

所述的第一锁相环信号合成器、第二锁相环信号合成器，是基于ADF4351芯片的锁相环频率合成器。

所述的第一混频器、第二混频器，是基于SA612A芯片的双平衡混频器。

所述的差动放大器，是基于MCP6022双运放的差动放大器。

所述的ARM主控制器，是基于STM32F103R8T6芯片的微处理器。

所述的液晶显示屏为4.0寸TFT液晶显示屏，实现界面的显示。

所述的micro-USB接口，是基于CH340芯片的接口。

有益效果：本发明提供的一种便携式单端口矢量阻抗分析仪，可直观的由液晶屏幕图形化显示测量数据，也可通过USB数据线连接至PC上位机软件端进行显示和数据存储，具有操作友好、便携式、精度高、集成度高等特点；本振信号发生部分、信号处理与分析部分、人机交互部分设在壳体内，整机系统集成度高，体积精小，实现了便携式以易于户外测量。

附图说明

图1为一种便携式单端口矢量阻抗分析仪的结构框图；

图2为实施例中本振信号发生部分结构框图；

图3为实施例中人机交互部分与主控制器的连接的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，一种便携式单端口矢量阻抗分析仪，包括壳体和设在壳体内的本振信号发生部分、信号处理与分析部分、人机交互部分；本振信号发生部分、信号处理与分析部分、人机交互部分依次连接，本振信号发生部分产生待测信号的激励源和与待测信号存在差频的参考信号进行下变混频再输入信号处理与分析部分，信号处理与分析部分对信号进行分析处理，通过人机交互部分设置多种工作状态并对分析处理后的数据进行显示。

所述的第一锁相环信号合成器、第二锁相环信号合成器，是基于ADF4351芯片的锁相环频率合成器，可实现小数N分频或整数N分频，如图2所示，包含集成锁相环电路和本振输出级，两片ADF4351芯片，一路通过标准50欧负载，作为参考信号；另一路作为激励源激励外部待测的单端口器件，输出作为待测信号。锁相环ADF4351结合20MHz外部参考时钟频率和环路滤波器时，基波输出频率范围为2200 MHz至4400 MHz，利用分频电路可输出35MHz-4400MHz频率，最小频率分辨步进可达0.1kHz，即阻抗分析仪可测量35MHz-4400MHz频率下待测器件的阻抗特性。芯片内部集成的低相位噪声的压控振荡器，输出幅度等级可程控，且具备快速锁定模式，极大地减少调频时间，可满足整个系统的本振频率输出范围和幅度要求。本振输出级部分，采用电容隔直，并电感上拉匹配，因考虑利用其后级混频频差，且频带较宽，输出未采用低通滤波。锁相环电源电路采用SP6205-3.3 LDO稳压至3.3V供电,低噪且具有过流保护，正常工作可输出300mA。

所述的第一混频器、第二混频器，是基于SA612A芯片的双平衡混频器；芯片内部集成振荡器和电压调节器，适用于低成本、低功耗系统，锁相环ADF4351输出级连接至混频器本振和待测通道，混频器输入通道采用Π型电阻衰减网络，输入信号衰减3dB并匹配50R，利用1：1巴伦的单端转差分信号，作为外部输入混频器，锁相环差分输出子路连接混频器的本机振荡输入,混频输出后经无源低通滤波器取得下变频分量，差分输入至后级的运放。。

所述的差动放大器，是基于MCP6022双运放的差动放大器，GWP=10M，具有低噪声系数和失调电压，轨至轨的输入输出，运放级采用差动放大的方式，增益+-17dB，同时具有阻抗变换和ADC驱动作用，另一路运放电路与之对称结构，由电容隔直输出，供单片机模数采集，混频级和增益级电源电路采用AMS1085-5.0 LDO稳压至5.0V供电，最大输出电流可达3A，具有0.1%极佳的负载调整率，适合为该系统所有部件供电。

所述的ARM主控制器，是基于STM32F103R8T6芯片的微处理器，是一款 32位基于cortex-M3的嵌入式处理器，片上集成USART、AD/DA、USB、RTC等丰富外设，核心最高主频可达72MHz，具备多种低功耗休眠模式，性价比高，因集成内部高低频振荡器，可省略外部的晶振电路，系统电路简单，适合便携式设备的开发选用。本实施例中主要利用单片机的片上ADC对待测通道和参考通道两路信号采集，数据处理后显示，因此ADC性能成为考虑的重要因素，片上ADC为12位SAR型，共有18个通道，可配置单次、连续或扫描多种工作模式，最高采样转化速率可达1Msps，可满足设计需要。信号输入调理电路包括电位抬高和钳位电路的保护，因ADC采集端口无法对负电压采集，故进行电位抬高，通过电阻节点分压实现。

如图3所示：

所述的液晶显示屏为4.0寸TFT液晶显示屏，TFT液晶具备分辨率高、刷新速率快、可视范围广和色彩效果较佳等优点，适合用户界面显示。界面内容包括单点的回波损耗（S11参数），电阻R，电抗X,Z驻波VSWR和连续S11曲线，可通过四个独立按键输入进行选择或切换功能模式，还包括一个机械编码器以方便人机控制，易于缩放调整图线。

所述的micro-USB接口，是基于CH340芯片的接口，上位机通信电路由CH340进行USB-TTL电平转换电路组成，可通过mini-USB进行供电并连接至微处理器的硬件UART端口与PC端串口通信。

Claims

1.一种便携式单端口矢量阻抗分析仪，其特征在于，包括壳体和设在壳体内的本振信号发生部分、信号处理与分析部分、人机交互部分；本振信号发生部分、信号处理与分析部分、人机交互部分依次连接，本振信号发生部分产生待测信号的激励源和与待测信号存在差频的参考信号进行下变混频后输入信号处理与分析部分，信号处理与分析部分对信号进行分析处理，通过人机交互部分设置多种工作状态并对分析处理后的数据进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种便携式单端口矢量阻抗分析仪，其特征在于，所述的本振信号发生部分，包括第一锁相环信号合成器、第二锁相环信号合成器、第一Π型衰减器、第一Π型衰减器；第一锁相环信号合成器信号输出端与第一Π型衰减器的信号输入端连接，第二锁相环信号合成器信号输出端与第二Π型衰减器的信号输入端连接。

3.根据权利要求1所述的一种便携式单端口矢量阻抗分析仪，其特征在于，所述的信号处理与分析部分，包括第一巴伦匹配电路、第二巴伦匹配电路、第一混频器、第二混频器、差动放大器、第一ADC预处理电路、第二ADC预处理电路、ARM主控制器、电源稳压电路；第一巴伦匹配电路的信号输入端与第一衰减器的信号输出端连接，信号输出端与第一混频器的信号输入端连接；第一混频器的信号输入端还与第一锁相环信号合成器的信号输出端连接，第一混频器的信号输出端与差动放大器信号输入端连接；第二巴伦匹配电路的信号输入端与第二衰减器的信号输出端连接，信号输出端与第二混频器的信号输入端连接；第二混频器的信号输入端还与第二锁相环信号合成器的信号输出端连接，第二混频器的信号输出端与差动放大器信号输入端连接；差动放大器信号输出端分别与第一ADC预处理电路和第二ADC预处理电路的信号输入端连接，第一ADC预处理电路和第二ADC预处理电路的信号输出端与ARM主控制器信号输入端连接；电源稳压电路与ARM主控模块连接。

4.根据权利要求1所述的一种便携式单端口矢量阻抗分析仪，其特征在于，所述的人机交互部分，包括输入模块和显示模块，输入模块与ARM主控制器的信号输入端连接，显示模块的信号输入端与ARM主控制器的信号输出端连接。

5. 根据权利要求1所述的一种便携式单端口矢量阻抗分析仪，其特征在于，所述的壳体采用CNC铝合金制成，壳体上设有液晶显示屏窗口、4个按键、按钮、电源开关、micro-USB接口、待测单端口网络输入端口；液晶显示屏窗口安装液晶显示屏，液晶显示屏与显示模块连接；按键和按钮与输入模块连接；micro-USB接口与ARM主控制器连接， ARM主控制器通过micro-USB接口与PC端上位机连接通信；待测单端口网络输入端口与第一巴伦匹配电路的输入端连接；电源开关与电源稳压电路连接。

6.根据权利要求2所述的一种便携式单端口矢量阻抗分析仪，其特征在于，所述的第一锁相环信号合成器、第二锁相环信号合成器，是基于ADF4351芯片的锁相环频率合成器。

7.根据权利要求3所述的一种便携式单端口矢量阻抗分析仪，其特征在于，所述的第一混频器、第二混频器，是基于SA612A芯片的双平衡混频器。

8.根据权利要求3所述的一种便携式单端口矢量阻抗分析仪，其特征在于，所述的差动放大器，是基于MCP6022双运放的差动放大器。

9.根据权利要求3所述的一种便携式单端口矢量阻抗分析仪，其特征在于，所述的ARM主控制器，是基于STM32F103R8T6芯片的微处理器。

10.根据权利要求1所述的一种便携式单端口矢量阻抗分析仪，其特征在于，所述的液晶显示屏为4.0寸TFT液晶显示屏，所述的micro-USB接口，是基于CH340芯片的接口。