简易频谱分析仪课程设计说明书.doc

目录一、课程设计目的3二、课程设计内容和要求32.1、设计内容32.2、设计要求3三、设计方案33.1、设计思路33.2、工作原理及硬件框图43.3、硬件电路原理图43.4、PCB版图设计5四、课程设计总结15五、参考文献16一、 课程设计目的1.掌握电子电路的一般设计方法和设计流程；2.学习使用PROTEL软件绘制电路原理图及印刷板图；二、 课程设计内容和要求2.1、设计内容 本系统利用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处理，最后送示波器显示频谱。测量频率范围覆盖1MHz-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。2.2、设计要求采用外差原理设计并实现频谱分析仪，具体要求如下：1. 频率测量范围为10MHz30MHz。2频率分辨力为10kHz，输入信号电压有效值为20mV5mV ,输入阻抗为50欧。3可设置中心频率和扫描宽度。三、 设计方案3.1、设计思路扫频法：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。3.2、工作原理及硬件框图 根据题目要求，系统总体设计框图如图1，硬件连接图如图2。图1 系统总体设计框图 图2 系统硬件连接图3.3、硬件电路原理图3.4、PCB版图设计1）硬件设计（1） 单片机最小系统如图1，本系统选用SPCE061A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0.32MHz49.152MHz，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集成芯片如图1，本系统中选用AD9850 DDS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。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=XY+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。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。图4 带宽90MHz、增益可控的AD603信号放大电路（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0.150KHz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120 pF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）检波电路如图1，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，+15V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。图7 电源分压及保护电路（7）键盘及显示电路本设计中采用普通的44键盘，其功能示意图如图8。1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 MHz 频标 显示 Start/ Return F1/ Fo F2/ W 图8 键盘功能示意图按键功能说明： 09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。 Set Fo和Set W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。2）软件设计在软件控制上，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（Tuning Words）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，为了加快扫频和扫描速度，将系统时钟改成最大值49MHz，以加快扫频和扫描速度。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。 图9 主程序流程图3）、测试说明1、测试仪器： Tektronix TDS1012 双通道数字示波器 100MHz HT-1714C型直流稳压电源 TFG2030 DDS函数信号发生器 30MHz UT56 Multimeter 数字万用表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 /MHz 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 示波器显示电压 /V 4.2 4.2 4.2 4.2 4.4 4.0 4.0 4.0 3.8 4.0 测得输入信号有效值 /mV 21 21 21 21 22 20 20 20 19 20 输入频率 fi /MHz 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 示波器显示电压 /V 4.0 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 4.0 3.8 4.0 3.8 测得输入信号有效值 /mV 20 19 19 19 19 19 20 19 20 19 输入频率 fi /MHz 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 示波器显示电压 /V 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 4.0 4.0 3.8 3.8 4.0 测得输入信号有效值 /mV 19 19 19 19 19 20 20 19 19 20 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=1MHz Fo=10MHz 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 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： 输入等幅波，可精确扫描到中心频率点。 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%。 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。四、 课程设计总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1MHz-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，并且要注意各级的级联，否则会影响整个系统的性能。 本专业的本次实习是我到目前为止最头疼也是收获最大的一次实习。我是学微电子的学生，设计是我们将来必需的技能，这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路的调试再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。以下几点是我自己的收获：1. 对实验原理有更深的理解 通过该课程设计，掌握了什么是加减法运算电路，熟悉了编译程序总流程框图，了解了protel软件。2. 对该理论在实践中的应用有深刻的理解 通过上网查资料，学习了protel软件，了解了它们的原理，经过认真的学习和实践，基本掌握的这两个软件的用法，但还很不会做，需要在以后的学习生活中去研究实践。3. 理解了该知识点以及学科之间的融合渗透 本次课程设计程序部分是用VHDL语言编写的，把VHDL与硬件集成速成，编译原理，算法分析与设计，protel99等几门学科联系起来，把各个学科之间的知识融合起来 ，把各门课程的知识联系起来，对编写程序有了更加深刻的了解。使我加深了对这几门学科的认识。4.认识到的不足 通过这次课程设计，我发现了自己有很多的不足之处：1、 首先觉得自己的专业知识还不够扎实，有很东西需要用的时候都想不