简易频谱分析仪(C题)

1、简易频谱分析仪（C题）摘要 本系统以单片机（MCU）为控制核心，辅以可编程逻辑器件（FPGA），用数字频率合成芯片AD9851产生扫频信号，利用无源混频器件ADE-1ASK实现混频，基于外差式频谱分析原理，成功实现了对频率范围为1MHz30MHz电压有效值为20mV5Mv的信号的频谱测量与分析，并将其在示波器上显示，测量的中心频率和扫频宽度可通过键盘设置并在单片机的液晶屏上显示其频率及幅值。人机界面友好 关键词：外差式频谱分析 DDS扫频 示波器显示 无源混频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题目任务要求及相关指标的分析4设计任务：4.设计要求：41.2方案的比较与选择5扫频信号发生器的设计方案论证与选择：5混频电路的设计方案论证与选择：5窄带滤波器的方案论证和选择：72、系统总体设计方案及实现方框图：82.1系统设计82.2说明93、理论分析与计算93.1基本要求的实现：9频

4、率测量范围：9频率分辨力9输入信号电压有效值和输入阻抗103.2发挥部分的实现：10将频率测试范围扩展到1MHz30MHz。10调频调幅等幅波的识别10其他：104主要功能电路的实现104.输入阻抗变换电路104.2DDS信号源电路4.3中频窄带滤波电路114.4峰值检测电路124.5 A/D采样电路124.6D/A转换电路134.7.混频电路135、系统软件的设计145.1 整个系统的软件设计流程：146、测试数据与分析156.1测试原理与方法15频率测量范围的测量156.2使用仪器及型号166.3测试数据结果：167、参考文献168 结语：161.方案论证与选择1.1题目任务要求及相关指标

5、的分析设计任务：采用外差原理设计并实现频谱分析仪，其参考原理框图如图所示：混频器放大器示波器本机振荡器扫频发生器信号处理 电路显示电路输入XY检波器滤波器 参考原理框图.设计要求：（1）基本要求:可以测量频率在10MHz30MHz范围，有效值为20mv±5mv的信号的频谱，要求输入阻抗为50，频率分辨率为10k才Hz，扫频信号的中心频率以及扫频宽度可设置，利用示波器显示被测信号的频谱图，并显示间隔为1MHz的频标。（2）发挥部分：将频率测量范围扩展至1MHz30MH；能够识别载波频率在频率测试范围内的调幅，调频和等幅波，并测定其中心频率。调幅波的调制度=30%，调制信号的频率为20k

6、Hz；调频波的频偏为20kHz，调制信号频率为1kHz。 实现其他创新功能。 题目明确要求用外差原理实现频谱分析,将输入信号与本振信号（扫频信号）进行混频经窄带滤波器，得到中频信号，对该中频信号进行峰值检波所得的结果就可以线性表示该频率分量的幅值，将周期性扫频信号与检波输出信号分别送示波器的X和Y信道，用示波器的X-Y显示模式，便可以在示波器上显示出被测信号的频谱图。 后级窄带滤波器的带宽大小就是频谱分析仪频率分辨率的大小，而后级窄带滤波器的带宽又受到扫频信号频率步进的限制。若扫频步进频率大于后级的窄带滤波器的带宽，就有可能漏掉某些频率成分。1.2方案的比较与选择扫频信号发生器的设计方案论证与

7、选择： 方案一：用传统的分离元件搭建振荡电路，在LC震荡电路中采用压控变容二极管或在RC振荡电路中用压控电阻，由单片机送控制数，经D/A转换为电压量后控制电路中的压控器件，振荡电路的频率值便随控制数的变化而变化，以此来产生扫频信号。该方案实现简便但是频率精度低，输出波形稳定性差，抗干扰能力差，而且题目要求的扫频信号频率高，范围大，很难找到合适的压控器件来实现该电路。 方案二：用集成的压控震荡器，采用闭环反馈控制，实现框图如图1.2.1。用单片机送控制数 ，经D/A后的得到的电压作为集成压控震荡器的控制电压，其输出的波形一方面经低通滤波器以平滑波形，一方面经A/D后再送至单片机，以调整单片机的输

8、出。该方案可以提高输出波形的稳定度，但是其输出的频率精度受VCO的定时元件的精度、热稳定性以及电源的稳定性影响，虽然采用闭环控制提高了频率的稳定度，但是频率精度仍然无法保证。 图1.2.1 闭环反馈控制振荡器原理框图 方案三：直接使用集成DDS芯片产生扫频信号。DDS芯片是由相位累加器，相幅转换函数表，D/A转换器以及内部时序控制产生器等电路，其中相位累加器从零开始对时钟信号进行计数，以控制电路所给定的步长，每来一个脉冲便往累加器加一，由于累加器的长度一定，在一个特定时间，累计器从零到溢出的时间可控 ，由其对应于一个正弦波的周期，相幅转换表将相位累加器送来的相位信号转换为对应的正弦波的幅度信号

9、，经D/A转换后便得到所需的波形，在后级加低通滤波器便可以得到所需波形。该方法产生的频率稳定，频率精度高，易于控制，而且已有的DDS芯片可以产生题目所要求的高频信号。 经过上述分析比较，从题目所要求的频率范围以及产生波形的稳定度和精度等方面因素的考虑，采用方案三来产生扫频信号。电路的设计方案论证与选择： 方案一：用现有模拟乘法器实现混频，该方案电路简单，输入端只需电压激励，一般不必加匹配网络，各端口之间隔离度高，使用方便，但是乘法器的3dB处增益带宽只有1MHz，这就限制了乘法器的工作范围，所以该方案适用于频率较小而幅度较大的信号。 方案二：采用接收机中常用的三极管混频器，其原理如图所示，图中

10、为射频输入，为本振输入，为中频输出。为了保证频谱的纯度，射频输入和中频输出都使用了LC选频电路，适用于固定频率的本振信号的混频 方案三：用二级管环路振荡器进行所示。 环路混频原理图该方案电路简单、噪声低，组合频率分量少混频失真小，且工作频带宽，但是由于是无源混频，考虑到传输线变压器、二极管损耗和VxmVlm的条件，所以混频输出信号较低，一般需要采用现放大后滤波的方式来解决，但是这样很容易在放大器内部产生组合频率的干扰失真。考虑到本系统的被测信号是频率为1MHz的30MHz有效值为20mv±5mv的信号，以及扫频信号可变决定选用二极管环形混频器来实现混频。 minicircuits公司

11、的Level7微波混频器ADE1ASK的频率范围内，它变频损耗低，且其引脚少，外围电路简单，是一款不错的混频芯片，适用于本系统要求。 方案一：采用分立元件搭建多阶无源窄带滤波器，该方案虽然可以通过提高滤波器的阶数来实现的边沿陡峭的窄带滤波器，但是由于计算所得的元件参数值实际上难以精确得到使得该方案不可行。 方案二：选用合适的陶瓷滤波器，陶瓷滤波器的通带品平坦，但是市面上没有频率适合本系统的卖，需要定制。 方案三：利用晶振良好的选频特性做窄带滤波器，但是由于其通带太窄，而题目要求的频率分辨率为10kHz，无法符合题目要求。 方案四：用可控制的集成滤波器实现，可以精确设定窄带滤波器的中心频率，可以

12、通过简单调整外围电路的元件参数改变滤波器的带宽。 考虑到本系统题目明确要求的频率分辨率为10kHz，以及物理可实现等方面的因素考虑，选用第四种方案来设计窄带率波器。 方案一：将经过窄带滤波器后的中频信号进行A/D采样，送FPGA或单片机分析和处理，得到中频信号的峰值，该方案准确度高，但是加大了软件部分的工程量。 方案二：用集成有效值测量芯片测得中频信号的有效值，以得到的值作为示波器的垂直输入，来线性表征该频率的幅值。但是由于前级的窄带滤波器不是做得足够的窄，实际得到的中频信号的频率分量有可能不纯，换言之就是其测得的有效值并不能表示该频率分量的幅值。 方案三：用简单的二极管峰值检波电路，检得中频

13、信号的幅值，再在后级加电流补偿电路补偿电流，以得到平稳得直流电压。 综合考虑电路实现的复杂度以及精度，选择方案三来实现检波。2、系统总体设计方案及实现方框图：2.1系统设计 DDS前级信号处理电路滤波电路放大电路可变增益控制电 路混频电路窄带滤波器 A/D电路A/D电路F P G A D/A电路示波器示检波电路单片机RAM键盘LCD显示 图2.1.1系统框图2.2说明：本系统利用单片机送控制给DDS集成芯片让其产生周期性扫频信号，经过低通滤波器平滑其输出波形，经后级放大电路后一方面与经过前级处理的过的信号一起送混频电路进行混频，一方面经A/D后的送FPGA。混频后得到的信号经过可变增益控制电路

14、后送窄带滤波器得到相应的中频信号，中频信号经检波后A/D送FPGA，两路信号经处理后送D/A给示波器显示。 3、理论分析与计算3.1基本要求的实现：要求频率测量范围为10MHz到30MHz，这就要求产生本振信号的扫频信号源产生的信号频率要在30MHz以上，我们用集成DDS芯片AD9851来实现，而AD9851的工作频率为180MHz，频带宽，正常输出工作频率范围为072MHz。完全可以满足题目要求。频率分辨力频谱仪分辨力指的是将两条相邻谱线分辩出来的能力，其大小主要取决于窄带滤波器的带宽。题目要求的分辨力为10kHz，就是说窄带滤波器的带宽最大为10kHz。与此同时扫频信号的频率步进必须小于1

15、0kHz，否则就有可能漏掉部分频率分量，选择集成开关电容滤波器MF10来实现，选用MF10的mode1工作模式作为来实现窄带滤波。取10kHz，Q1，通过上面的公式可计算出15kHz，25kHz。R1=R2=10K, R3选用103的滑变实测显示该滤波器完全能够达到预想性能。另外，在产生X轴行扫描信号的DAC位数一定的情况下，频谱仪的分辨力决定了它的最大扫频宽度。例如8位的DAC产生的扫描信号使得示波器一屏最多显示256个点，而要满足题目的分辨力10kHz的要求的话，则一屏最多为256×10000=2.56MHz，即最大扫频范围为2.56MHz。输入信号电压有效值和输入阻抗题目要求输

16、入电压有效值为20mV±5mV，输入阻抗为50所以在前级加以反相放大器来实现具体。3.2发挥部分的实现：3.2.2调频调幅等幅波的识别题目要求能识别调幅、调频和等幅波信号及测定其中心频率的功能，实现这个功能最好是混频后采样送FPGA,进行FFT分析。 通过改变窄带滤波器的带宽，减小扫频信号的步进频率，可进一步提高改扫频仪的频率步进4主要功能电路的实现4.输入阻抗变换电路由于要求系统输入阻抗为50 ,因此需要在系统前级输入端进行阻抗变换。采用如图所示电路实现，利用同相放大器高输入阻抗的特点得到50 输入阻抗。此外，通过此放大器也能使输入有效值为20mV的信号得以放大提供给后级。选用高速

17、运放AD811，其输出阻抗为9,为了满足混频器ADESK输入阻抗匹配的条件，在放大器后端接入串联一个39电阻，以提供约504.2DDS信号源电路4.3中频窄带滤波电路 为了获得较好的中频信号、滤出高次谐波，需要使用一个带通滤波器实现。对此滤波器的要求主要是通带要平坦，过渡带要陡。已选用MF10来实现滤波，理论分析部分以对电路进行分析，为了是过渡带陡峭，采用4级级连的方式，微调R3的值使得带宽仍保持在10kHz。具体电路如图4.3所示。 图4.3 窄带滤波电路（2级）4.4峰值检测电路 具体电路图如图4.4所示 图4.4峰值检波电路4.5 A/D采样电路 A/D变换选用常用的MAX197完成，此

18、器件转换精度高，数据稳定，其具体电路如图4.5所示：图4.5 MAX197连接图4.6D/A转换电路 用常规器件0800实现，具体电路图如图4.6 图4.6 0800的连接图4.7.混频电路混频电路的实现由于采用了微波混频器ADE1ASK而变得异常简单。ADE1ASK仅有6个引脚，其中3个是地，另外3个则分别是射频输入，本振输入和中频输出，其引脚图如图4.7，所以只需将相应的信号连接到对应的引脚上就行了。由于该器件是无源器件，噪声系数非常小，动态范围也很大，唯一需要注意的是3个引脚的端口阻抗均为50，在连入系统时需要考虑到阻抗匹配的问题，但其射频输入口的输入阻抗恰好符合题目对系统的输入阻抗要求

19、。GNDGNDGNDLOIFRFADE-1ASK图4.7 ADE-1ASK引脚图5、系统软件的设计5.1 整个系统的软件设计流程如图5.1所示： 图5.1 软件流程图6、测试数据与分析6.1测试原理与方法频率测量范围的测量 由于所用混频器的频率范围远高于系统工作频率范围，因此整个系统的频率测量范围取决于本地振荡信号的频率范围，确定频率测量范围只需要测量本机DDS本振源能够输出的幅度稳定、频谱纯净的正弦信号范围。由于频率较高，必须使用采样频率足够高的示波器来测量其幅度。输入阻抗的测量窄带滤波器的幅频特性测量在输入幅度V情况下测量不同频率时滤波器的输出，即可得到窄带滤波器的幅频特性。中心频率的测定

20、输入不同类型：等幅、调频、调幅信号，测量其中心频率，并于信号源的读数比较，即可以确定频率精度和分辨率。6.2使用仪器及型号清华同方PC机：Pentium(R)4 CPU 1.80GHz+256M Byte内存+Windows XP操作系统直流稳压电源：SG1733SB3A500MHz高频数字存储示波器：Tektronix TDS3052B60MHz数字存储示波器：Tektronix TDS 100220MHz模拟示波器：YB4320G数字信号源：Agilent 33120A数字多用表：FLUCKE 17B高频信号源：QF155A6.3测试数据结果 由上面的测试结果可以看出，本设计完成了频谱分析仪的基本要求，能够对一定频率范围内的输入信号进行简单的频谱分析，实现的功能及性能、指标包括： 、MHz30MHz频率测量范围；