簡易頻譜分析儀(C題)

1、簡易頻譜分析儀（C題）摘要 本系統(tǒng)以單片機（MCU）為控制核心，輔以可編程邏輯器件（FPGA），用數(shù)字頻率合成芯片AD9851產(chǎn)生掃頻信號，利用無源混頻器件ADE-1ASK實現(xiàn)混頻，基于外差式頻譜分析原理，成功實現(xiàn)了對頻率范圍為1MHz30MHz電壓有效值為20mV5Mv的信號的頻譜測量與分析，并將其在示波器上顯示，測量的中心頻率和掃頻寬度可通過鍵盤設(shè)置并在單片機的液晶屏上顯示其頻率及幅值。人機界面友好 關(guān)鍵詞：外差式頻譜分析 DDS掃頻 示波器顯示 無源混頻Facile Spectrum Analysis ApparatusAbstract Based on the theory of sp

2、ectrum analysis, with SCM as its nucleus and FPGA as its subsidiary part, applying the DDS technology to generate frequency-scaning signals, the apparatus is able to analyze input signals and display the result on the oscillograph. The frequency of the given signal can range from 10MHz to 30MHz and

3、the virtual volt from 20mv to 5Mv, with both central frequency and scaning frequency range changeable.Keywords: spectrum analysis, DDS frequency scaning1.1題目任務(wù)要求及相關(guān)指標(biāo)的分析4設(shè)計任務(wù)：4.設(shè)計要求：41.2方案的比較與選擇5掃頻信號發(fā)生器的設(shè)計方案論證與選擇：5混頻電路的設(shè)計方案論證與選擇：5窄帶濾波器的方案論證和選擇：72、系統(tǒng)總體設(shè)計方案及實現(xiàn)方框圖：82.1系統(tǒng)設(shè)計82.2說明93、理論分析與計算93.1基本要求的實現(xiàn)：9頻

4、率測量范圍：9頻率分辨力9輸入信號電壓有效值和輸入阻抗103.2發(fā)揮部分的實現(xiàn)：10將頻率測試范圍擴展到1MHz30MHz。10調(diào)頻調(diào)幅等幅波的識別10其他：104主要功能電路的實現(xiàn)104.輸入阻抗變換電路104.2DDS信號源電路4.3中頻窄帶濾波電路114.4峰值檢測電路124.5 A/D采樣電路124.6D/A轉(zhuǎn)換電路134.7.混頻電路135、系統(tǒng)軟件的設(shè)計145.1 整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程：146、測試數(shù)據(jù)與分析156.1測試原理與方法15頻率測量范圍的測量156.2使用儀器及型號166.3測試數(shù)據(jù)結(jié)果：167、參考文獻168 結(jié)語：161.方案論證與選擇1.1題目任務(wù)要求及相關(guān)指標(biāo)

5、的分析設(shè)計任務(wù)：采用外差原理設(shè)計并實現(xiàn)頻譜分析儀，其參考原理框圖如圖所示：混頻器放大器示波器本機振蕩器掃頻發(fā)生器信號處理 電路顯示電路輸入XY檢波器濾波器 參考原理框圖.設(shè)計要求：（1）基本要求:可以測量頻率在10MHz30MHz范圍，有效值為20mv±5mv的信號的頻譜，要求輸入阻抗為50，頻率分辨率為10k才Hz，掃頻信號的中心頻率以及掃頻寬度可設(shè)置，利用示波器顯示被測信號的頻譜圖，并顯示間隔為1MHz的頻標(biāo)。（2）發(fā)揮部分：將頻率測量范圍擴展至1MHz30MH；能夠識別載波頻率在頻率測試范圍內(nèi)的調(diào)幅，調(diào)頻和等幅波，并測定其中心頻率。調(diào)幅波的調(diào)制度=30%，調(diào)制信號的頻率為20k

6、Hz；調(diào)頻波的頻偏為20kHz，調(diào)制信號頻率為1kHz。 實現(xiàn)其他創(chuàng)新功能。 題目明確要求用外差原理實現(xiàn)頻譜分析,將輸入信號與本振信號（掃頻信號）進行混頻經(jīng)窄帶濾波器，得到中頻信號，對該中頻信號進行峰值檢波所得的結(jié)果就可以線性表示該頻率分量的幅值，將周期性掃頻信號與檢波輸出信號分別送示波器的X和Y信道，用示波器的X-Y顯示模式，便可以在示波器上顯示出被測信號的頻譜圖。 后級窄帶濾波器的帶寬大小就是頻譜分析儀頻率分辨率的大小，而后級窄帶濾波器的帶寬又受到掃頻信號頻率步進的限制。若掃頻步進頻率大于后級的窄帶濾波器的帶寬，就有可能漏掉某些頻率成分。1.2方案的比較與選擇掃頻信號發(fā)生器的設(shè)計方案論證與

7、選擇： 方案一：用傳統(tǒng)的分離元件搭建振蕩電路，在LC震蕩電路中采用壓控變?nèi)荻O管或在RC振蕩電路中用壓控電阻，由單片機送控制數(shù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為電壓量后控制電路中的壓控器件，振蕩電路的頻率值便隨控制數(shù)的變化而變化，以此來產(chǎn)生掃頻信號。該方案實現(xiàn)簡便但是頻率精度低，輸出波形穩(wěn)定性差，抗干擾能力差，而且題目要求的掃頻信號頻率高，范圍大，很難找到合適的壓控器件來實現(xiàn)該電路。 方案二：用集成的壓控震蕩器，采用閉環(huán)反饋控制，實現(xiàn)框圖如圖1.2.1。用單片機送控制數(shù) ，經(jīng)D/A后的得到的電壓作為集成壓控震蕩器的控制電壓，其輸出的波形一方面經(jīng)低通濾波器以平滑波形，一方面經(jīng)A/D后再送至單片機，以調(diào)整單片機的輸

8、出。該方案可以提高輸出波形的穩(wěn)定度，但是其輸出的頻率精度受VCO的定時元件的精度、熱穩(wěn)定性以及電源的穩(wěn)定性影響，雖然采用閉環(huán)控制提高了頻率的穩(wěn)定度，但是頻率精度仍然無法保證。 圖1.2.1 閉環(huán)反饋控制振蕩器原理框圖 方案三：直接使用集成DDS芯片產(chǎn)生掃頻信號。DDS芯片是由相位累加器，相幅轉(zhuǎn)換函數(shù)表，D/A轉(zhuǎn)換器以及內(nèi)部時序控制產(chǎn)生器等電路，其中相位累加器從零開始對時鐘信號進行計數(shù)，以控制電路所給定的步長，每來一個脈沖便往累加器加一，由于累加器的長度一定，在一個特定時間，累計器從零到溢出的時間可控 ，由其對應(yīng)于一個正弦波的周期，相幅轉(zhuǎn)換表將相位累加器送來的相位信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的正弦波的幅度信號

9、，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后便得到所需的波形，在后級加低通濾波器便可以得到所需波形。該方法產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定，頻率精度高，易于控制，而且已有的DDS芯片可以產(chǎn)生題目所要求的高頻信號。 經(jīng)過上述分析比較，從題目所要求的頻率范圍以及產(chǎn)生波形的穩(wěn)定度和精度等方面因素的考慮，采用方案三來產(chǎn)生掃頻信號。電路的設(shè)計方案論證與選擇： 方案一：用現(xiàn)有模擬乘法器實現(xiàn)混頻，該方案電路簡單，輸入端只需電壓激勵，一般不必加匹配網(wǎng)絡(luò)，各端口之間隔離度高，使用方便，但是乘法器的3dB處增益帶寬只有1MHz，這就限制了乘法器的工作范圍，所以該方案適用于頻率較小而幅度較大的信號。 方案二：采用接收機中常用的三極管混頻器，其原理如圖所示，圖中

10、為射頻輸入，為本振輸入，為中頻輸出。為了保證頻譜的純度，射頻輸入和中頻輸出都使用了LC選頻電路，適用于固定頻率的本振信號的混頻 方案三：用二級管環(huán)路振蕩器進行所示。 環(huán)路混頻原理圖該方案電路簡單、噪聲低，組合頻率分量少混頻失真小，且工作頻帶寬，但是由于是無源混頻，考慮到傳輸線變壓器、二極管損耗和VxmVlm的條件，所以混頻輸出信號較低，一般需要采用現(xiàn)放大后濾波的方式來解決，但是這樣很容易在放大器內(nèi)部產(chǎn)生組合頻率的干擾失真?？紤]到本系統(tǒng)的被測信號是頻率為1MHz的30MHz有效值為20mv±5mv的信號，以及掃頻信號可變決定選用二極管環(huán)形混頻器來實現(xiàn)混頻。 minicircuits公司

11、的Level7微波混頻器ADE1ASK的頻率范圍內(nèi)，它變頻損耗低，且其引腳少，外圍電路簡單，是一款不錯的混頻芯片，適用于本系統(tǒng)要求。 方案一：采用分立元件搭建多階無源窄帶濾波器，該方案雖然可以通過提高濾波器的階數(shù)來實現(xiàn)的邊沿陡峭的窄帶濾波器，但是由于計算所得的元件參數(shù)值實際上難以精確得到使得該方案不可行。 方案二：選用合適的陶瓷濾波器，陶瓷濾波器的通帶品平坦，但是市面上沒有頻率適合本系統(tǒng)的賣，需要定制。 方案三：利用晶振良好的選頻特性做窄帶濾波器，但是由于其通帶太窄，而題目要求的頻率分辨率為10kHz，無法符合題目要求。 方案四：用可控制的集成濾波器實現(xiàn)，可以精確設(shè)定窄帶濾波器的中心頻率，可以

12、通過簡單調(diào)整外圍電路的元件參數(shù)改變?yōu)V波器的帶寬。 考慮到本系統(tǒng)題目明確要求的頻率分辨率為10kHz，以及物理可實現(xiàn)等方面的因素考慮，選用第四種方案來設(shè)計窄帶率波器。 方案一：將經(jīng)過窄帶濾波器后的中頻信號進行A/D采樣，送FPGA或單片機分析和處理，得到中頻信號的峰值，該方案準(zhǔn)確度高，但是加大了軟件部分的工程量。 方案二：用集成有效值測量芯片測得中頻信號的有效值，以得到的值作為示波器的垂直輸入，來線性表征該頻率的幅值。但是由于前級的窄帶濾波器不是做得足夠的窄，實際得到的中頻信號的頻率分量有可能不純，換言之就是其測得的有效值并不能表示該頻率分量的幅值。 方案三：用簡單的二極管峰值檢波電路，檢得中頻

13、信號的幅值，再在后級加電流補償電路補償電流，以得到平穩(wěn)得直流電壓。 綜合考慮電路實現(xiàn)的復(fù)雜度以及精度，選擇方案三來實現(xiàn)檢波。2、系統(tǒng)總體設(shè)計方案及實現(xiàn)方框圖：2.1系統(tǒng)設(shè)計 DDS前級信號處理電路濾波電路放大電路可變增益控制電 路混頻電路窄帶濾波器 A/D電路A/D電路F P G A D/A電路示波器示檢波電路單片機RAM鍵盤LCD顯示 圖2.1.1系統(tǒng)框圖2.2說明：本系統(tǒng)利用單片機送控制給DDS集成芯片讓其產(chǎn)生周期性掃頻信號，經(jīng)過低通濾波器平滑其輸出波形，經(jīng)后級放大電路后一方面與經(jīng)過前級處理的過的信號一起送混頻電路進行混頻，一方面經(jīng)A/D后的送FPGA?；祛l后得到的信號經(jīng)過可變增益控制電路

14、后送窄帶濾波器得到相應(yīng)的中頻信號，中頻信號經(jīng)檢波后A/D送FPGA，兩路信號經(jīng)處理后送D/A給示波器顯示。 3、理論分析與計算3.1基本要求的實現(xiàn)：要求頻率測量范圍為10MHz到30MHz，這就要求產(chǎn)生本振信號的掃頻信號源產(chǎn)生的信號頻率要在30MHz以上，我們用集成DDS芯片AD9851來實現(xiàn)，而AD9851的工作頻率為180MHz，頻帶寬，正常輸出工作頻率范圍為072MHz。完全可以滿足題目要求。頻率分辨力頻譜儀分辨力指的是將兩條相鄰譜線分辯出來的能力，其大小主要取決于窄帶濾波器的帶寬。題目要求的分辨力為10kHz，就是說窄帶濾波器的帶寬最大為10kHz。與此同時掃頻信號的頻率步進必須小于1

15、0kHz，否則就有可能漏掉部分頻率分量，選擇集成開關(guān)電容濾波器MF10來實現(xiàn)，選用MF10的mode1工作模式作為來實現(xiàn)窄帶濾波。取10kHz，Q1，通過上面的公式可計算出15kHz，25kHz。R1=R2=10K, R3選用103的滑變實測顯示該濾波器完全能夠達到預(yù)想性能。另外，在產(chǎn)生X軸行掃描信號的DAC位數(shù)一定的情況下，頻譜儀的分辨力決定了它的最大掃頻寬度。例如8位的DAC產(chǎn)生的掃描信號使得示波器一屏最多顯示256個點，而要滿足題目的分辨力10kHz的要求的話，則一屏最多為256×10000=2.56MHz，即最大掃頻范圍為2.56MHz。輸入信號電壓有效值和輸入阻抗題目要求輸

16、入電壓有效值為20mV±5mV，輸入阻抗為50所以在前級加以反相放大器來實現(xiàn)具體。3.2發(fā)揮部分的實現(xiàn)：3.2.2調(diào)頻調(diào)幅等幅波的識別題目要求能識別調(diào)幅、調(diào)頻和等幅波信號及測定其中心頻率的功能，實現(xiàn)這個功能最好是混頻后采樣送FPGA,進行FFT分析。 通過改變窄帶濾波器的帶寬，減小掃頻信號的步進頻率，可進一步提高改掃頻儀的頻率步進4主要功能電路的實現(xiàn)4.輸入阻抗變換電路由于要求系統(tǒng)輸入阻抗為50 ,因此需要在系統(tǒng)前級輸入端進行阻抗變換。采用如圖所示電路實現(xiàn)，利用同相放大器高輸入阻抗的特點得到50 輸入阻抗。此外，通過此放大器也能使輸入有效值為20mV的信號得以放大提供給后級。選用高速

17、運放AD811，其輸出阻抗為9,為了滿足混頻器ADESK輸入阻抗匹配的條件，在放大器后端接入串聯(lián)一個39電阻，以提供約504.2DDS信號源電路4.3中頻窄帶濾波電路 為了獲得較好的中頻信號、濾出高次諧波，需要使用一個帶通濾波器實現(xiàn)。對此濾波器的要求主要是通帶要平坦，過渡帶要陡。已選用MF10來實現(xiàn)濾波，理論分析部分以對電路進行分析，為了是過渡帶陡峭，采用4級級連的方式，微調(diào)R3的值使得帶寬仍保持在10kHz。具體電路如圖4.3所示。 圖4.3 窄帶濾波電路（2級）4.4峰值檢測電路 具體電路圖如圖4.4所示 圖4.4峰值檢波電路4.5 A/D采樣電路 A/D變換選用常用的MAX197完成，此

18、器件轉(zhuǎn)換精度高，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，其具體電路如圖4.5所示：圖4.5 MAX197連接圖4.6D/A轉(zhuǎn)換電路 用常規(guī)器件0800實現(xiàn)，具體電路圖如圖4.6 圖4.6 0800的連接圖4.7.混頻電路混頻電路的實現(xiàn)由于采用了微波混頻器ADE1ASK而變得異常簡單。ADE1ASK僅有6個引腳，其中3個是地，另外3個則分別是射頻輸入，本振輸入和中頻輸出，其引腳圖如圖4.7，所以只需將相應(yīng)的信號連接到對應(yīng)的引腳上就行了。由于該器件是無源器件，噪聲系數(shù)非常小，動態(tài)范圍也很大，唯一需要注意的是3個引腳的端口阻抗均為50，在連入系統(tǒng)時需要考慮到阻抗匹配的問題，但其射頻輸入口的輸入阻抗恰好符合題目對系統(tǒng)的輸入阻抗要求

19、。GNDGNDGNDLOIFRFADE-1ASK圖4.7 ADE-1ASK引腳圖5、系統(tǒng)軟件的設(shè)計5.1 整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程如圖5.1所示： 圖5.1 軟件流程圖6、測試數(shù)據(jù)與分析6.1測試原理與方法頻率測量范圍的測量 由于所用混頻器的頻率范圍遠高于系統(tǒng)工作頻率范圍，因此整個系統(tǒng)的頻率測量范圍取決于本地振蕩信號的頻率范圍，確定頻率測量范圍只需要測量本機DDS本振源能夠輸出的幅度穩(wěn)定、頻譜純凈的正弦信號范圍。由于頻率較高，必須使用采樣頻率足夠高的示波器來測量其幅度。輸入阻抗的測量窄帶濾波器的幅頻特性測量在輸入幅度V情況下測量不同頻率時濾波器的輸出，即可得到窄帶濾波器的幅頻特性。中心頻率的測定

20、輸入不同類型：等幅、調(diào)頻、調(diào)幅信號，測量其中心頻率，并于信號源的讀數(shù)比較，即可以確定頻率精度和分辨率。6.2使用儀器及型號清華同方PC機：Pentium(R)4 CPU 1.80GHz+256M Byte內(nèi)存+Windows XP操作系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源：SG1733SB3A500MHz高頻數(shù)字存儲示波器：Tektronix TDS3052B60MHz數(shù)字存儲示波器：Tektronix TDS 100220MHz模擬示波器：YB4320G數(shù)字信號源：Agilent 33120A數(shù)字多用表：FLUCKE 17B高頻信號源：QF155A6.3測試數(shù)據(jù)結(jié)果 由上面的測試結(jié)果可以看出，本設(shè)計完成了頻譜分析儀的基本要求，能夠?qū)σ欢l率范圍內(nèi)的輸入信號進行簡單的頻譜分析，實現(xiàn)的功能及性能、指標(biāo)包括： 、MHz30MHz頻率測量范圍；