3763.簡(jiǎn)易頻譜分析儀

1、簡(jiǎn)易頻譜分析儀2005年電子大賽一等獎(jiǎng) 摘要：本系統(tǒng)利用spce061a單片機(jī)作為主控制器，采用外差原理設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀：利用dds芯片生成10khz步進(jìn)的本機(jī)振蕩器，ad835做集成混頻器，通過(guò)開(kāi)關(guān)電容濾波器取出各個(gè)頻點(diǎn)（相隔10khz）的值，再配合放大，檢波電路收集采樣值，經(jīng)凌陽(yáng)單片機(jī)spce061a處理，最后送示波器顯示頻譜。測(cè)量頻率范圍覆蓋1mhz-30mhz，可根據(jù)用戶(hù)需要設(shè)定顯示頻譜的中心頻率和帶寬，還可以識(shí)別調(diào)幅，調(diào)頻和等幅波信號(hào)。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(jī)振蕩器產(chǎn)生一定步進(jìn)頻率的信號(hào)與輸入信號(hào)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(diǎn)的幅度。本機(jī)振蕩信號(hào)可以達(dá)到很寬的頻率，與外部混頻器配合，可擴(kuò)展到很高頻率。這種方法的突出優(yōu)點(diǎn)是掃頻范圍大，硬件成本低廉，但這種方法對(duì)硬件電路要求較高，各模塊性能都需要精心設(shè)計(jì)，且連接在一起整體調(diào)試時(shí)有一定難度。而且它只適于測(cè)量穩(wěn)態(tài)信號(hào)的頻率幅度，獲得測(cè)量結(jié)果要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)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(duì)輸入信號(hào)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(yùn)算速度的限制。為獲得良好的儀器線(xiàn)性度和高分辨率，adc的取樣率最少等于輸入信號(hào)最高頻率的兩倍。fft運(yùn)算時(shí)間與取樣點(diǎn)數(shù)成

3、對(duì)數(shù)關(guān)系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運(yùn)算時(shí)，要選用高速的fft硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)芯片?？梢?jiàn)這種方法的優(yōu)點(diǎn)是硬件電路簡(jiǎn)單，主要依靠軟件運(yùn)算，可以提高分辨率。但缺點(diǎn)是頻率越高，對(duì)adc和dsp芯片的速度要求越高，相應(yīng)價(jià)格也越昂貴。方案三：分段fft。這種方法將輸入信號(hào)分段，逐段進(jìn)行fft的處理，這樣分段取樣降低了對(duì)adc和fft硬件的速度要求，又可以在相對(duì)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(jì)和測(cè)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(shí)際條件和成本上的考慮，在滿(mǎn)足題目要求的前提下，我們選擇方案一實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀。

4、二、詳細(xì)軟硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)題目要求，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(jì)框圖圖2.2 系統(tǒng)硬件連接圖1、硬件設(shè)計(jì)（1） 單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2.1，本系統(tǒng)選用spce061a單片機(jī)作為主控制器，進(jìn)行信號(hào)處理和控制人機(jī)交互。spce061a是一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。在存儲(chǔ)器資源方面，spce061a內(nèi)嵌32k字的閃存（flash），可供存儲(chǔ)掃描所得的頻率點(diǎn)幅值，而不用外置存儲(chǔ)器，節(jié)省了存儲(chǔ)時(shí)間，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；在處理速度方面，它的cpu時(shí)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(hào)；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(shí)，可產(chǎn)生高達(dá)40mhz的正弦波信號(hào)。根據(jù)ad9850說(shuō)明書(shū)的電路制作了dds集成板。實(shí)際測(cè)試dds的芯片所產(chǎn)生的信號(hào)波形（10m以下）較好，幅度隨著頻率的升高而略有下降，為了滿(mǎn)足ad

6、835小信號(hào)混頻的性能，我們后接ad603加以衰減。詳細(xì)見(jiàn)下面（3）。（3）混頻器乘法器ad835可以實(shí)現(xiàn)250mhz帶寬內(nèi)的混頻，這對(duì)于我們的設(shè)計(jì)完全滿(mǎn)足要求。而且其輸出幅度在不同頻率值時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，外圍電路也相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)零調(diào)試，只需要對(duì)z的直流輸入進(jìn)行相對(duì)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(duì)小信號(hào)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(hào)適當(dāng)衰減，將輸入小信號(hào)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(shí)際測(cè)試過(guò)程當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)乘法器的輸出信號(hào)幅度會(huì)隨信

7、號(hào)頻率的升高而略有增加，很好地彌補(bǔ)了dds集成芯片ad9850輸出信號(hào)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(hào)放大電路（4）濾波器本設(shè)計(jì)要求頻譜分辨力為10khz，所以每個(gè)掃頻點(diǎn)的間隔為10khz，以此頻點(diǎn)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(kāi)關(guān)電容濾波器，可以實(shí)現(xiàn)截止頻率0.150khz的可調(diào)，很容易滿(mǎn)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(hào)可以外接一個(gè)電容實(shí)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(guò)實(shí)際測(cè)試選擇120 pf可以實(shí)現(xiàn)5khz的截止頻率，滿(mǎn)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(gè)電容。這個(gè)電容的選擇很重要，它決定了檢波的精度和穩(wěn)定時(shí)間。大電容檢測(cè)精度高，放電時(shí)間長(zhǎng)；小電容會(huì)加大檢波電路的輸出電壓的波紋，使檢測(cè)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(wèn)題，我們選擇了0.1uf的電容，經(jīng)過(guò)測(cè)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(hù)由于本系統(tǒng)各模塊對(duì)

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(huì)顯得很復(fù)雜，所以在電源設(shè)計(jì)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(hù)誤將電源反接而損毀系統(tǒng)內(nèi)部芯片，我們?cè)陔娫吹娜肟诮恿艘粋€(gè)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(huì)限制在二極管的導(dǎo)通壓降0.7v，保證了整個(gè)電路安全。如圖2.7所示。圖2.7 電源分壓及保護(hù)電路（7）鍵盤(pán)及顯示電路本設(shè)計(jì)中采用普通的44鍵盤(pán)，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(pán)功能示意圖按鍵功能說(shuō)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(hào)后啟動(dòng)測(cè)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(chǎng)上常見(jiàn)的fm1602c液晶顯示模塊。液晶屏上會(huì)有操作指示，可按響應(yīng)按鍵，使得操作簡(jiǎn)單易懂。2、軟件設(shè)計(jì)在軟件控制上，由于方案要求產(chǎn)生的10khz頻率步進(jìn)增加，所以對(duì)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(shí)兼顧到單片機(jī)i/o口的分配和對(duì)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(shí)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(wú)法達(dá)到全頻段的穩(wěn)定性，在收集頻譜樣值后我們通過(guò)軟件對(duì)其進(jìn)行一定的校準(zhǔn)處理：根據(jù)固定輸入信號(hào)的幅值，對(duì)全頻段掃描結(jié)果并記錄比較，設(shè)計(jì)校準(zhǔn)曲線(xiàn)，來(lái)達(dá)到良好的穩(wěn)定性，彌補(bǔ)硬件頻率失真帶來(lái)的誤差，提高頻譜測(cè)量?jī)x的精度。軟件還對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)頻譜特性判別是am、fm或單頻波，計(jì)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(cè)試說(shuō)明1、測(cè)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(hào)發(fā)生器 30mhz ut56 multimeter 數(shù)字萬(wàn)用表2、測(cè)試過(guò)程幾組測(cè)試數(shù)據(jù)：（1）頻率范圍測(cè)試：測(cè)試條件：輸入信號(hào)有效值20mv。表3.1 頻率范圍測(cè)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(cè)得輸入信號(hào)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(cè)得輸入信號(hào)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(cè)得輸入信號(hào)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(cè)試：(示波器顯示幅值和測(cè)得相應(yīng)頻點(diǎn)幅度有效值)表3.2 幅度精度測(cè)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(cè)量范圍內(nèi)，幅度精度較高,誤差在2mv以?xún)?nèi)。（3）識(shí)別調(diào)幅，調(diào)頻，等幅波測(cè)試： 輸入等幅波，可精確掃描到中心頻率點(diǎn)。 輸入調(diào)幅波調(diào)制度為30%，調(diào)制信號(hào)頻率為20khz,中心頻率fo=10mhz,載波信號(hào),幅度500mv峰峰值。結(jié)果：三條譜線(xiàn)，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(jì)算出調(diào)制度為33%。 輸入調(diào)頻波頻偏為20khz，調(diào)制信號(hào)頻率為1khz, 中心頻率2mhz載波信號(hào),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(xiàn)，但幅度不同，可以算出中心頻率2mhz。分析：因?yàn)閽哳l是測(cè)量某一瞬態(tài)的頻譜，對(duì)于調(diào)頻波這種變頻信號(hào)，不同瞬態(tài)的頻譜圖不一樣。頻率最大值會(huì)在頻偏范圍內(nèi)擺動(dòng)，且每隔1khz的頻譜超過(guò)了我們的分辨率，所以我們測(cè)得的調(diào)頻信號(hào)頻譜不是特別理想。但仍然可以根據(jù)譜線(xiàn)分布