簡易頻譜分析儀

1、簡易頻譜分析儀摘要：本系統(tǒng)采用 TI 公司的 16 位單片機 MSP430F149作為控制核心， 采用外差原理設(shè)計并實現(xiàn)頻譜分析儀， 基于 DDS 技術(shù)得到 10 kHz 步進的本機振蕩器， 采用 AD835 進行混頻，通過低通濾波器取出差頻信號分量，再配合放大、檢波電路得到各個頻點的信號有效值。 單片機 MSP430F149 與掃頻同步輸出鋸齒波掃描電壓，利用示波器 X-Y 方式顯示信號頻譜分布。 測量頻率范圍覆蓋 1MHz-30MHz ，可設(shè)定中心頻率和帶寬，還可以識別調(diào)幅，調(diào)頻和等幅波信號。關(guān)鍵詞： MSP430F149，DDS，混頻，頻譜分析一、系統(tǒng)方案1. 方案比較與選擇1.1 頻譜

2、分析儀的實現(xiàn)方案一：模擬式頻譜分析儀模擬方式的頻譜儀以模擬濾波器為基礎(chǔ)，通常有并行濾波法、順序濾波法，可調(diào)濾波法、掃描外差法等實現(xiàn)方法， 現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的模擬頻譜分析儀設(shè)計方案多為掃描外差法，此方案原理框圖如圖 1：U i混頻器濾波器檢波器Y放大器顯示器掃頻振蕩器鋸齒波掃描器X放大器圖 1 模擬外差式頻譜儀原理框圖圖中的掃頻振蕩器是儀器內(nèi)部的振蕩源， 當掃頻振蕩器的頻率 fL 在一定范圍內(nèi)掃動時，輸入信號中的各個頻率分量 fx 在混頻器中產(chǎn)生差頻信號（ fo= fx-fL ），依次落入窄帶濾波器的通帶內(nèi)（這個通帶是固定的） ，獲得中頻增益，經(jīng)檢波后加到 Y 放大器，使亮點在屏幕上的垂直偏移正比于

3、該頻率分量的幅值。 由于掃描電壓在調(diào)制振蕩器的同時， 又驅(qū)動 X 放大器，從而可以在屏幕上顯示出被測信號的線狀頻譜圖。 這是目前常用模擬外差式頻譜儀的基本原理。 模擬外差式頻譜儀具有高帶寬和高頻率分辨率等優(yōu)點，但是模擬器件調(diào)試復(fù)雜，短期實現(xiàn)有難度。方案二：數(shù)字式頻譜分析儀數(shù)字式頻譜儀通常使用高速A/D 采集當前信號， 然后送入處理器處理， 最后將得到的各頻率分量幅度值數(shù)據(jù)送入顯示器顯示，其組成框圖如圖3：Ui實時采樣數(shù)字存儲處理器顯示器A/D轉(zhuǎn)換圖 3 數(shù)字式頻譜儀組成框圖信號經(jīng)高速 A/D 采集送入處理器，通過硬件乘法器與本地由 DDS產(chǎn)生的本振掃頻信號混頻， 變頻后信號不斷移入低通數(shù)字濾波

4、器， 然后提取通過低通濾波器的信號幅度， 根據(jù)當前頻率和提取到的幅度值， 即可以繪制當前信號頻譜圖。 但缺點是頻率越高，對DSP芯片的速度要求越高，相應(yīng)價格也越昂貴。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。2. 系統(tǒng)設(shè)計方案本系統(tǒng)以 MSP430 單片機為核心， 采用外差原理實現(xiàn)頻譜分析儀， 將輸入信號加到混頻器上與本振信號混頻后， 再經(jīng)過低通濾波器將落入低頻段的信號提取出來。系統(tǒng)原理框圖如圖4 所示，經(jīng)由單片機控制DDS 產(chǎn)生的本機振蕩頻率fL，與輸入信號fx 分別作為乘法器的兩個輸入端，產(chǎn)生兩種頻率的信號（fL -fx）和（ fL +fx），通

5、過低通濾波器后濾掉和頻信號，再通過檢波器檢波得到濾波后的幅值信息，作為 Y 方向的信號輸入到示波器，同時利用單片機產(chǎn)生同步的鋸齒波信號作為 X 信號送到示波器，此時利用 XY 方式顯示的波形即為輸入信號的頻譜特性。f Xf L-f XYAD835濾波器AD637被測信號f L示波器DDSMCUTLC7528X圖 4 系統(tǒng)原理框圖二、理論分析與計算被測信號的電壓uxux coswxt（ 1）掃頻信號的電壓uLuL coswL t（ 2）經(jīng)混頻器得到uxuL1 uxuL cos( wLwx )tcos(wL wx )t（ 3）2經(jīng)低通濾波器得到u1uuc o s (wLw ) t（ 4）oxLx2

6、三、電路與程序設(shè)計1. 電路設(shè)計1.1 MSP430 單片機系統(tǒng)設(shè)計以 TI 公司的高性能低功耗單片機MSP430F149 為核心，設(shè)計了鍵盤和顯示電路。采用 TI 公司的電源穩(wěn)壓芯片 REG1117-3.3為單片機模塊供電， 采用 TI 公司的 74HC573 鎖存器實現(xiàn)數(shù)碼管動態(tài)顯示的位選和段選信號鎖存，電路設(shè)計具有模塊化特點， 便于與其他單元進行接口， 在本系統(tǒng)中， 為完成對各個正弦信號的幅度測量，采用 AD637 實現(xiàn)有效值檢波，利用 MSP430 單片機內(nèi)部的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器對檢波結(jié)果進行采集，根據(jù)正弦信號幅值與有效值之間的固有關(guān)系，由 MSP430 以軟件方式將有效值轉(zhuǎn)換

7、為峰值， 通過液晶 12864 完成幅度的數(shù)字顯示。1.2 正弦信號發(fā)生器頻率測量范圍是1M-3MHz ，對于這么寬的高頻帶，本系統(tǒng)采用AD9850 集成 DDS 芯片實現(xiàn)， AD9850 是高穩(wěn)定度的直接數(shù)字頻率合成器件，內(nèi)部含有輸入寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)字合成器、10位高速 D/A 轉(zhuǎn)換器和高速比較器。 AD9850 高速直接數(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 的正弦信號。根據(jù) AD9850 說明書的電路制作 DDS 集成板。實際測試的 DDS 所產(chǎn)生的信號波形（ 10MHz 以下）較好，幅度

8、隨著頻率升高而略有下降。 AD9850 的原理方框圖如圖 5 所示。正弦波輸出DACLPF相位控方波輸出制字微正弦查相位累加器比較器處詢表理器頻率控相位控制字制字圖 5 AD9850的組成框圖1.3 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 6 乘法器原理圖1.4 有效值檢波器該模塊采用的是 AD637， AD637 是一塊高精度單片 TRMS/DC 轉(zhuǎn)換

9、器，可以計算各種復(fù)雜波形的真有效值。 由于采用，峰值系數(shù)補償在測量峰值系數(shù)高達10 的信號時附加誤差僅為1% 。頻帶寬度在 2V 輸入時可達 8MHz 。由于 AD637芯片可以對輸入的正弦信號峰值直接計算并輸出其有效值， 因此可以采用該芯片實現(xiàn)信號的峰值檢測。其電路實現(xiàn)如圖 7 所示：+12V10uF+12VOutPut-1BUFF INBUFF OUT14InPutTL072213+NCVinTL072312-12VCOMNC+12V24K 4OFFSETAD637+Vs11+5V-12V5CS-Vs10-12V6INPUTVout910uF24K78dB OUTCAV0.22uF圖 7有

10、效值檢波電路圖1.5D/A 轉(zhuǎn)換器采用 TLC7528 和兩片 OP07 構(gòu)成 D/A 轉(zhuǎn)換器，其原理圖如圖 8 所示。整個 2 處用到 D/A 轉(zhuǎn)換器，分別將單片機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量， 傳送到示波器的X軸和Y軸。+5V10uF +0.1uF17VCCDI014D0+15V4VREFADI113D110uFDI212D2+11DI3D318100.1uFVREFBDI4D46DAC(A/B)DI59D515DI68D616(CS) 7(WR) DI7D7271TLC752835RFBA2-10K+7uoOUTA19636RFBBOP37OP37OUTB20+3-24410uF10K+0.

11、1uF-15V圖 8 D/A 轉(zhuǎn)換器原理圖1.6 濾波電路為設(shè)計通帶平坦而截止特性優(yōu)良的低通濾波器，利用FilterLab 2.0 軟件，分別為各個不同頻率的方波信號設(shè)計了相應(yīng)的四階巴特沃斯低通濾波器，混頻器輸出中包含有乘法器的兩個輸入端信號的和差分量，需要通過濾波器選出需要的頻譜分量，抑制掉其它不需要的信號。題目要求頻譜分辨率位10KHz，所以每個掃頻點的時間間隔為10KHz ，及濾波器的帶寬要小于10KHz ，對于低通濾波器，以此數(shù)值作為截止頻率，所以低通濾波器的截止頻率為 10KHz 。濾波電路如圖9 所示。在設(shè)計過程中，采用了 TI 公司的寬帶高速精密運算放大器 OP07，提升了濾波性

12、能。C215nFC42.2nF+15V+15V10uF+In0.1uF10uF +R1R20.1uF+R3R4Out+3K6.2K-10K18KC110uF+-C2+2.2nF10uF0.1uF2.2nF-15V0.1uF-15V圖 9 四階巴特沃斯低通濾波電路2. 程序設(shè)計四、測試方案與測試結(jié)果1. 測試方案2. 測試結(jié)果3. 測試波形結(jié)束語 出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂， 今天下三分， 益州疲弊， 此誠危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報之于陛下也。誠宜開張圣聽，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中

13、，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費祎、董允等，此皆良實，志慮忠純，是以先帝簡拔以遺陛下：愚以為宮中之事，事無大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補闕漏，有所廣益。將軍向?qū)?，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰“能 ”，是以眾議舉寵為督：愚以為營中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣， 遠小人， 此先漢所以興隆也； 親小人， 遠賢臣， 此后漢所以傾頹也。 先帝在時，每與臣論此事， 未嘗不嘆息痛恨于桓、 靈也。 侍中、尚書、 長史、 參軍，此悉貞良死節(jié)之臣，愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計日而待也。臣本布衣，躬耕于南陽，茍全性命于亂世，不求聞達于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當世之事，由是感激，遂許先帝以驅(qū)馳。后值傾覆，受任于敗軍之際，奉命于危難之間，爾來二十有一年矣。先帝知臣謹慎，故臨崩寄臣以大事也。受命以來，夙