简易频谱分析仪课程设计

东北石油大学课程设计课程课程通信电子线路课程设计题目简易频谱分析仪院系电气信息工程学院专业班级学生姓名学生学号指导教师2014年7月18日东北石油大学课程设计任务书课程通信电子线路课程设计题目简易频谱分析仪专业姓名学号主要内容、基本要求、主要参考资料等主要内容：设计一个测量频率范围覆盖为10MHz-30MHz，可根据用户需要设定显示频谱的中心频率和带宽，还可以识别调幅，调频和等幅波信号的简易频谱分析仪。基本要求：（1）频率测量范围为10MHz--30MHz；（2）频率分辨力为10kHz，输入信号电压有效值为20mV±5mV，输入阻抗为50Ω；（3）可设置中心频率和扫频宽度；（4）借助示波器显示被测信号的频谱图，并在示波器上标出间隔为1MHz的频标。主要参考资料：[1]谢家奎．电子线路(非线性部分)［M］．北京:高等教育出版社．[2]张建华．数字电子技术［M］．北京:机械工业出版社．[3]陈汝全．电子技术常用器件应用手册［M］．北京:机械工业出版社．完成期限2014.7.14—2014.7.18指导教师专业负责人2014年7月14日

摘要系统利用SPCE061A单片机作为主控制器，采用外差原理设计并实现频谱分析仪：利用DDS芯片生成10KHz步进的本机振荡器，AD835做集成混频器，通过开关电容滤波器取出各个频点（相隔10KHz）的值，再配合放大，检波电路收集采样值，经凌阳单片机SPCE061A的处理，最后送示波器显示频谱。测量频率范围覆盖10MHz-30MHz，可根据用户需要设定显示频谱的中心频率和带宽，还可以识别调幅，调频和等幅波信号。关键词：SPCE061A；DDS；频谱分析仪目录⒈设计要求 =1\*GB1⒈设计要求设计一个测量频率范围覆盖为10MHz-30MHz，可根据用户需要设定显示频谱的中心频率和带宽，还可以识别调幅，调频和等幅波信号的简易频谱分析仪。基本要求：（1）频率测量范围为10MHz--30MHz；（2）频率分辨力为10kHz，输入信号电压有效值为20mV±5mV，输入阻抗为50Ω；（3）可设置中心频率和扫频宽度；（4）借助示波器显示被测信号的频谱图，并在示波器上标出间隔为1MHz的频标。=2\*GB1⒉方案论证方案一[1]：扫频法。这种频谱分析仪采用外差原理，由本机振荡器产生一定步进频率的信号与输入信号相乘，然后由适当的滤波器将差频分量滤出以代表相应频点的幅度。本机振荡信号可以达到很宽的频率，与外部混频器配合，可扩展到很高频率。这种方法的突出优点是扫频范围大，硬件成本低廉，但这种方法对硬件电路要求较高，各模块性能都需要精心设计，且连接在一起整体调试时有一定难度。而且它只适于测量稳态信号的频率幅度，获得测量结果要花费较长的时间。

方案二[2]：FFT法。这种频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样,再经FFT处理后获得频谱分布图。它的频率范围受到ADC采集速率和FFT运算速度的限制。为获得良好的仪器线性度和高分辨率，ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍。FFT运算时间与取样点数成对数关系，频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时，要选用高速的FFT硬件，或者相应的数字信号处理器(DSP)芯片。可见这种方法的优点是硬件电路简单，主要依靠软件运算，可以提高分辨率。但缺点是频率越高，对ADC和DSP芯片的速度要求越高，相应价格也越昂贵。

方案三：分段FFT。这种方法将输入信号分段，逐段进行FFT的处理，这样分段取样降低了对ADC和FFT硬件的速度要求，又可以在相对窄的频段内得到更高的频谱分辨率。但是这种方法在软件和硬件的设计和测试上显然要复杂很多，尤其是在1M-30MHz如此宽的频段范围内。

根据实际条件和成本上的考虑，在满足题目要求的前提下，我们选择方案一实现频谱分析仪。=3\*GB1⒊方案设计

根据题目要求，系统总体设计框图如图1。fifi滤波器MAX297放大器OP07滤波器MAX297放大器OP07滤波器AD835AD603放大数据采集数据采集有效值有效值检波器MX636DDS本振键盘及显示电路AD603衰减示波器显示MCUSPCB0DDS本振键盘及显示电路AD603衰减示波器显示MCUSPCB061A图1

系统总体设计框图系统利用SPCE061A单片机作为主控制器，采用外差原理设计并实现频谱分析仪：利用DDS芯片生成10KHz步进的本机振荡器，AD835做集成混频器，通过开关电容滤波器取出各个频点（相隔10KHz）的值，再配合放大，检波电路收集采样值，经凌阳单片机SPCE061A的处理，最后送示波器显示频谱。测量频率范围覆盖10MHz-30MHz，可根据用户需要设定显示频谱的中心频率和带宽，还可以识别调幅，调频和等幅波信号。3.1硬件设计硬件电路原理图如图2。（1）单片机最小系统[4]本系统选用SPCE061A[3]单片机作为主控制器，进行信号处理和控制人机交互。SPCE061A是一款16位结构的微控制器。在存储器资源方面，SPCE061A内嵌32K字的闪存（Flash），可供存储扫描所得的频率点幅值，而不用外置存储器，节省了存储时间，方便对数据进行处理；在处理速度方面，它的CPU时钟为0.32MHz～49.152MHz，较高的处理速度使其能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号；32位通用可编程输入/输出端口便于与外围器件相连；7通道10位电压模/数转换器(ADC)可供采集样值。（2）DDS集成芯片本系统中选用AD9850DDS集成芯片完成DDS本振。AD9850是高稳定度的直接数字频率合成器件，内部包含有输入寄存器、数据寄存器、数字合成器（DDS）、10位高速D/A转换器和高速比较器。AD9850高速的直接数字合成器（DDS）核心根据设定的32位频率控制字和5位相移控制字，在外接125MHz晶振时，可产生高达40MHz的正弦波信号。图2硬件电路原理图根据AD9850说明书的电路制作了DDS集成板。实际测试DDS的芯片所产生的信号波形（10M以下）较好，幅度随着频率的升高而略有下降，为了满足AD835小信号混频的性能，我们后接AD603加以衰减。详细见下面（3）。（3）混频器乘法器AD835可以实现250MHz带宽内的混频，这对于我们的设计完全满足要求。而且其输出幅度在不同频率值时相对稳定，外围电路也相对简单，不需要进行复杂的调零调试，只需要对Z的直流输入进行相对调整即可。其基本原理框图如图3所示。其中W=X×Y+Z。XYY=Y1-Y2+1Y2Y1X2X1X=X1-X2WOUTPTZINPUTAD835XY+ZXYY=Y1-Y2+1Y2Y1X2X1X=X1-X2WOUTPTZINPUTAD835XY+Z图3

AD835原理框图

AD835对小信号的乘法精度较高，不易输出新的频率分量，所以我们利用AD603将DDS输出信号适当衰减，将输入小信号适当放大，再送入乘法器，以获得最好的相乘效果。电路连接如图4所示。图4

带宽90MHz、增益可控的AD603信号放大电路在实际测试过程当中，我们发现乘法器的输出信号幅度会随信号频率的升高而略有增加，很好地弥补了DDS集成芯片AD9850输出信号的幅度随着频率的增加而小幅度降低的这种缺陷。（4）滤波器本设计要求频谱分辨力为10KHz，所以每个扫频点的间隔为10KHz，以此频点作为中心，左右各5KHz范围之内为有效值，所以滤波器需要5KHz的带宽。MAX297为8阶开关电容滤波器，可以实现截止频率0.1～50KHz的可调，很容易满足题目的要求。其带内增益平坦，带外衰减速度很快。

MAX297的1管脚的clk信号可以外接一个电容实现截止频率的选择：这样可以根据MAX297的截止频率和clk的比值为1:50的关系确定截止频率fc，经过实际测试选择120pF可以实现5KHz的截止频率，满足题目的频谱分辨率要求。如图5所示。图5

由MAX297所组成的截止频率为5KHz的LPF（5）检波电路为了提高检波精度，我们选择了MX636作为检波电路，其电路原理图如图6，它的外围电路只有一个电容。这个电容的选择很重要，它决定了检波的精度和稳定时间。大电容检测精度高，放电时间长；小电容会加大检波电路的输出电压的波纹，使检测精度下降。为了平衡DDS的扫描速度和数据采集精度的问题，我们选择了0.1uF的电容，经过测试效果比较理想。图6

MX636检波电路原理图（6）电源管理及保护由于本系统各模块对电源的要求不一致，若各种电源值都由外部分别提供，则电源接口会显得很复杂，所以在电源设计上，本方案使用了各种稳压三极管。外部只提供正负16伏的电源，+15用7815分压得到；-15V用7915分压得到；+5V用7805分压得到；-5V用7905分压得到。另外，为了防止用户误将电源反接而损毁系统内部芯片，我们在电源的入口接了一个二极管，负极接正电源，正极接负电源，若电源反接，接口电压会限制在二极管的导通压降0.7V，保证了整个电路安全。如图7所示。

（7）键盘及显示电路本设计中采用普通的4×4键盘，其功能示意图如图8。按键功能说明：0～9和"."为普通数字输入。"MHz"为设置频率和带宽的单位。"Start/Return"为新输入信号后启动测量和界面切换键。"SetFo"和"SetW"分别为设置中心频率和设置扫描带宽键。"频标显示"决定是否显示出频标。显示模块采用市场上常见的FM1602C液晶显示模块。液晶屏上会有操作指示，可按响应按键，使得操作简单易懂。图7电源分压及保护电路 1234567890MHz频标显示－

Start/ReturnF1/FoF2/W图8

键盘功能示意图3.2软件设计在软件控制【5】上，由于方案要求产生的10KHz频率步进增加，所以对AD9850频率调制字改变也应是快速的。AD9850调制字（TuningWords）的装入采用异步串行接口UART，同时兼顾到单片机I/O口的分配和对调制字装入速度的要求。

另外，由于硬件采集系统无法达到全频段的稳定性，在收集频谱样值后我们通过软件对其进行一定的校准处理：根据固定输入信号的幅值，对全频段扫描结果并记录比较，设计校准曲线，来达到良好的稳定性，弥补硬件频率失真带来的误差，提高频谱测量仪的精度。软件还对数据进行分析，根据频谱特性判别是AM、FM或单频波，计算调制深度或调频系数。其主程序流程图如图9。开始开始找到中心频率，并以默认带宽将显示数据读出存入RAM系统初始化显示找到中心频率，并以默认带宽将显示数据读出存入RAM系统初始化显示“Welcome！PressStart”扫描送显示波器，液晶显示中心频率和带宽扫描送显示波器，液晶显示中心频率和带宽NN开始键是否按下？NN开始键是否按下？是否是否有键按下？YYYDDS开始扫频，显示“Scanning，PleaseWait”YDDS开始扫频，显示“Scanning，PleaseWait”重新设置中心频率和带宽，重新设置中心频率和带宽，并进行示波器扫频显示分析液晶刷新显示扫频数据液晶刷新显示扫频数据输入CPU，并存入Flash图9

主程序流程图=4\*GB1⒋测试说明4.1测试仪器·TektronixTDS1012双通道数字示波器

100MHz·HT-1714C型直流稳压电源·TFG2030DDS函数信号发生器

30MHz·UT56Multimeter数字万用表4.2测试过程几组测试数据（1）频率范围测试测试条件：输入信号有效值20mV。表1

频率范围测试输入频率fi/MHz12345678910示波器显示电压/V4.24.24.24.24.44.04.04.03.84.0测得输入信号有效值/mV21212121222020201920输入频率fi/MHz11121314151617181920示波器显示电压/V4.03.83.83.83.83.84.03.84.03.8测得输入信号有效值/mV20191919191920192019输入频率fi/MHz21222324252627282930示波器显示电压/V3.83.83.83.83.84.04.03.83.84.0测得输入信号有效值/mV19191919192020191920结果：最大误差2mV。（2）幅度精度测试：(示波器显示幅值和测得相应频点幅度有效值)表2

幅度精度测试输入幅度有效值Fo=1MHzFo=10MHzFo=20MHzFo=30MHz15mV3.2V/16mV3V/15mV3.2V/16mV2.6V/13mV20mV4.1V/20.5mV4V/20mV4V/20mV3.8V/19mV25mV4.6V/23mV4.9V/24.5mV5V/25mV4.6V/23mV结果：在测量范围内，幅度精度较高,误差在2mV以内。（3）识别调幅，调频，等幅波测试=1\*GB3①输入等幅波，可精确扫描到中心频率点。=2\*GB3②输入调幅波调制度为30%，调制信号频率为20KHz,中心频率Fo=10MHz,载波信号,幅度500mV峰峰值。结果：三条谱线，中心频率10MHz。两边频率为9.98MHz和10.02MHz，中间幅度/边频幅度约为1/6，可计算出调制度为33%。=3\*GB3③输入调频波频偏为20KHz，调制信号频率为1KHz,中心频率2MHz载波信号,幅度600mV峰峰值。结果：可以看到中心频率值左右有多条谱线，但幅度不同，可以算出中心频率2MHz。分析：因为扫频是测量某一瞬态的频谱，对于调频波这种变频信号，不同瞬态的频谱图不一样。频率最大值会在频偏范围内摆动，且每隔1KHz的频谱超过了我们的分辨率，所以我们测得的调频信号频谱不是特别理想。但仍然可以根据谱线分布特征判断出为调频波的中心频率。=5\*GB1⒌小结本设计利用外差原理实现了对信号频谱分析的功能，覆盖了10MHz-30MHz的频谱范围。对电压值的标定采用对比法，能得到很高的测量幅度精度。利用示波器显示频谱值，并可根据使用需要设置中心频率和显示带宽。应用了集成度较高的芯片作为个功能模块，提高了整个系统的稳定性和精度。在设计中各模块的设计都很重要，只有掌握好各种芯片的性能指标，使每级输入的幅度和频率都适合才能使他们发挥最好的效果，并且要注意各级