3763.簡易頻譜分析儀

1、簡易頻譜分析儀2005年電子大賽一等獎 摘要：本系統(tǒng)利用spce061a單片機作為主控制器，采用外差原理設(shè)計并實現(xiàn)頻譜分析儀：利用dds芯片生成10khz步進的本機振蕩器，ad835做集成混頻器，通過開關(guān)電容濾波器取出各個頻點（相隔10khz）的值，再配合放大，檢波電路收集采樣值，經(jīng)凌陽單片機spce061a處理，最后送示波器顯示頻譜。測量頻率范圍覆蓋1mhz-30mhz，可根據(jù)用戶需要設(shè)定顯示頻譜的中心頻率和帶寬，還可以識別調(diào)幅，調(diào)頻和等幅波信號。關(guān)鍵詞：spce061a dds一、方案論證方案一：掃頻法。這種頻譜分析儀采用外差原理，由本機振蕩器產(chǎn)生一定步進頻率的信號與輸入信號相乘，然后由適

2、當(dāng)?shù)臑V波器將差頻分量濾出以代表相應(yīng)頻點的幅度。本機振蕩信號可以達到很寬的頻率，與外部混頻器配合，可擴展到很高頻率。這種方法的突出優(yōu)點是掃頻范圍大，硬件成本低廉，但這種方法對硬件電路要求較高，各模塊性能都需要精心設(shè)計，且連接在一起整體調(diào)試時有一定難度。而且它只適于測量穩(wěn)態(tài)信號的頻率幅度，獲得測量結(jié)果要花費較長的時間。方案二：fft法。這種頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)對輸入信號取樣,再經(jīng)fft處理后獲得頻譜分布圖。它的頻率范圍受到adc采集速率和fft運算速度的限制。為獲得良好的儀器線性度和高分辨率，adc的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍。fft運算時間與取樣點數(shù)成

3、對數(shù)關(guān)系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時，要選用高速的fft硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號處理器(dsp)芯片。可見這種方法的優(yōu)點是硬件電路簡單，主要依靠軟件運算，可以提高分辨率。但缺點是頻率越高，對adc和dsp芯片的速度要求越高，相應(yīng)價格也越昂貴。方案三：分段fft。這種方法將輸入信號分段，逐段進行fft的處理，這樣分段取樣降低了對adc和fft硬件的速度要求，又可以在相對窄的頻段內(nèi)得到更高的頻譜分辨率。但是這種方法在軟件和硬件的設(shè)計和測試上顯然要復(fù)雜很多，尤其是在1m-30mhz如此寬的頻段范圍內(nèi)。根據(jù)實際條件和成本上的考慮，在滿足題目要求的前提下，我們選擇方案一實現(xiàn)頻譜分析儀。

4、二、詳細(xì)軟硬件設(shè)計 根據(jù)題目要求，系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2.1，硬件連接圖如圖2.2。圖2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖圖2.2 系統(tǒng)硬件連接圖1、硬件設(shè)計（1） 單片機最小系統(tǒng)如圖2.1，本系統(tǒng)選用spce061a單片機作為主控制器，進行信號處理和控制人機交互。spce061a是一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。在存儲器資源方面，spce061a內(nèi)嵌32k字的閃存（flash），可供存儲掃描所得的頻率點幅值，而不用外置存儲器，節(jié)省了存儲時間，方便對數(shù)據(jù)進行處理；在處理速度方面，它的cpu時鐘為0.32mhz49.152mhz，較高的處理速度使其能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號；32位通用可編程輸入/輸

5、出端口便于與外圍器件相連；7通道10位電壓模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)可供采集樣值。（2）dds集成芯片如圖2.1，本系統(tǒng)中選用ad9850 dds集成芯片完成dds本振。ad9850是高穩(wěn)定度的直接數(shù)字頻率合成器件，內(nèi)部包含有輸入寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)字合成器（dds）、10位高速d/a轉(zhuǎn)換器和高速比較器。ad9850高速的直接數(shù)字合成器（dds）核心根據(jù)設(shè)定的32位頻率控制字和5位相移控制字，在外接125mhz晶振時，可產(chǎn)生高達40mhz的正弦波信號。根據(jù)ad9850說明書的電路制作了dds集成板。實際測試dds的芯片所產(chǎn)生的信號波形（10m以下）較好，幅度隨著頻率的升高而略有下降，為了滿足ad

6、835小信號混頻的性能，我們后接ad603加以衰減。詳細(xì)見下面（3）。（3）混頻器乘法器ad835可以實現(xiàn)250mhz帶寬內(nèi)的混頻，這對于我們的設(shè)計完全滿足要求。而且其輸出幅度在不同頻率值時相對穩(wěn)定，外圍電路也相對簡單，不需要進行復(fù)雜的調(diào)零調(diào)試，只需要對z的直流輸入進行相對調(diào)整即可。其基本原理框圖如圖2.3所示。其中w=xy+z。圖2.3 ad835原理框圖ad835對小信號的乘法精度較高，不易輸出新的頻率分量，所以我們利用ad603將dds輸出信號適當(dāng)衰減，將輸入小信號適當(dāng)放大，再送入乘法器，以獲得最好的相乘效果。電路連接如圖2.4所示。在實際測試過程當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)乘法器的輸出信號幅度會隨信

7、號頻率的升高而略有增加，很好地彌補了dds集成芯片ad9850輸出信號的幅度隨著頻率的增加而小幅度降低的這種缺陷。圖2.4 帶寬90mhz、增益可控的ad603信號放大電路（4）濾波器本設(shè)計要求頻譜分辨力為10khz，所以每個掃頻點的間隔為10khz，以此頻點作為中心，左右各5khz范圍之內(nèi)為有效值，所以濾波器需要5khz的帶寬。max297為8階開關(guān)電容濾波器，可以實現(xiàn)截止頻率0.150khz的可調(diào)，很容易滿足題目的要求。其帶內(nèi)增益平坦，帶外衰減速度很快。max297的1管腳的clk信號可以外接一個電容實現(xiàn)截止頻率的選擇：這樣可以根據(jù)max297的截止頻率和clk的比值為1:50的關(guān)系確定截

8、止頻率fc，經(jīng)過實際測試選擇120 pf可以實現(xiàn)5khz的截止頻率，滿足題目的頻譜分辨率要求。如圖2.5所示。圖2.5 由max297所組成的截止頻率為5khz的lpf（5）檢波電路如圖2.1，為了提高檢波精度，我們選擇了mx636作為檢波電路，其電路原理圖如圖2.6，它的外圍電路只有一個電容。這個電容的選擇很重要，它決定了檢波的精度和穩(wěn)定時間。大電容檢測精度高，放電時間長；小電容會加大檢波電路的輸出電壓的波紋，使檢測精度下降。為了平衡dds的掃描速度和數(shù)據(jù)采集精度的問題，我們選擇了0.1uf的電容，經(jīng)過測試效果比較理想。圖2.6 mx636檢波電路原理圖（6）電源管理及保護由于本系統(tǒng)各模塊對

9、電源的要求不一致，若各種電源值都由外部分別提供，則電源接口會顯得很復(fù)雜，所以在電源設(shè)計上，本方案使用了各種穩(wěn)壓三極管。外部只提供正負(fù)16伏的電源，+15v用7815分壓得到；- 15v用7915分壓得到；+5v用7805分壓得到；- 5v用7905分壓得到。另外，為了防止用戶誤將電源反接而損毀系統(tǒng)內(nèi)部芯片，我們在電源的入口接了一個二極管，負(fù)極接正電源，正極接負(fù)電源，若電源反接，接口電壓會限制在二極管的導(dǎo)通壓降0.7v，保證了整個電路安全。如圖2.7所示。圖2.7 電源分壓及保護電路（7）鍵盤及顯示電路本設(shè)計中采用普通的44鍵盤，其功能示意圖如圖2.8。1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 m

10、hz 頻標(biāo) 顯示 start/ return f1/ fo f2/ w 圖2.8 鍵盤功能示意圖按鍵功能說明： 09和.為普通數(shù)字輸入。 mhz為設(shè)置頻率和帶寬的單位。 start/return為新輸入信號后啟動測量和界面切換鍵。 set fo和set w分別為設(shè)置中心頻率和設(shè)置掃描帶寬鍵。 頻標(biāo)顯示決定是否顯示出頻標(biāo)。顯示模塊采用市場上常見的fm1602c液晶顯示模塊。液晶屏上會有操作指示，可按響應(yīng)按鍵，使得操作簡單易懂。2、軟件設(shè)計在軟件控制上，由于方案要求產(chǎn)生的10khz頻率步進增加，所以對ad9850頻率調(diào)制字改變也應(yīng)是快速的。ad9850調(diào)制字（tuning words）的裝入采用異

11、步串行接口uart，同時兼顧到單片機i/o口的分配和對調(diào)制字裝入速度的要求，為了加快掃頻和掃描速度，將系統(tǒng)時鐘改成最大值49mhz，以加快掃頻和掃描速度。另外，由于硬件采集系統(tǒng)無法達到全頻段的穩(wěn)定性，在收集頻譜樣值后我們通過軟件對其進行一定的校準(zhǔn)處理：根據(jù)固定輸入信號的幅值，對全頻段掃描結(jié)果并記錄比較，設(shè)計校準(zhǔn)曲線，來達到良好的穩(wěn)定性，彌補硬件頻率失真帶來的誤差，提高頻譜測量儀的精度。軟件還對數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)頻譜特性判別是am、fm或單頻波，計算調(diào)制深度或調(diào)頻系數(shù)。其主程序流程圖如圖2.9。圖2.9 主程序流程圖三、測試說明1、測試儀器： tektronix tds1012 雙通道數(shù)字示波器

12、 100mhz ht-1714c型直流穩(wěn)壓電源 tfg2030 dds函數(shù)信號發(fā)生器 30mhz ut56 multimeter 數(shù)字萬用表2、測試過程幾組測試數(shù)據(jù)：（1）頻率范圍測試：測試條件：輸入信號有效值20mv。表3.1 頻率范圍測試輸入頻率 fi /mhz 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 示波器顯示電壓 /v 4.2 4.2 4.2 4.2 4.4 4.0 4.0 4.0 3.8 4.0 測得輸入信號有效值 /mv 21 21 21 21 22 20 20 20 19 20 輸入頻率 fi /mhz 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 示波器顯示電壓

13、 /v 4.0 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 4.0 3.8 4.0 3.8 測得輸入信號有效值 /mv 20 19 19 19 19 19 20 19 20 19 輸入頻率 fi /mhz 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 示波器顯示電壓 /v 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 4.0 4.0 3.8 3.8 4.0 測得輸入信號有效值 /mv 19 19 19 19 19 20 20 19 19 20 結(jié)果：最大誤差2mv。（2）幅度精度測試：(示波器顯示幅值和測得相應(yīng)頻點幅度有效值)表3.2 幅度精度測試輸入幅度有效值 fo=1mhz fo=10

14、mhz fo=20mhz fo=30mhz 15mv 3.2v/16mv 3v /15mv 3.2v/16mv 2.6v/13mv 20mv 4.1v/20.5mv 4v/20mv 4v/20mv 3.8v/19mv 25mv 4.6v/23mv 4.9v/24.5mv 5v/25mv 4.6v/23mv 結(jié)果：在測量范圍內(nèi)，幅度精度較高,誤差在2mv以內(nèi)。（3）識別調(diào)幅，調(diào)頻，等幅波測試： 輸入等幅波，可精確掃描到中心頻率點。 輸入調(diào)幅波調(diào)制度為30%，調(diào)制信號頻率為20khz,中心頻率fo=10mhz,載波信號,幅度500mv峰峰值。結(jié)果：三條譜線，中心頻率10mhz。兩邊頻率為9.98mhz和10.02mhz，中間幅度/邊頻幅度約為1/6，可計算出調(diào)制度為33%。 輸入調(diào)頻波頻偏為20khz，調(diào)制信號頻率為1khz, 中心頻率2mhz載波信號,幅度600mv峰峰值。結(jié)果：可以看到中心頻率值左右有多條譜線，但幅度不同，可以算出中心頻率2mhz。分析：因為掃頻是測量某一瞬態(tài)的頻譜，對于調(diào)頻波這種變頻信號，不同瞬態(tài)的頻譜圖不一樣。頻率最大值會在頻偏范圍內(nèi)擺動，且每隔1khz的頻譜超過了我們的分辨率，所以我們測得的調(diào)頻信號頻譜不是特別理想。但仍然可以根據(jù)譜線分布