简易频谱分析仪的设计与制作

1、 1 方案论证与选择1.1 本征频率正弦波产生的方案比较与选择方案一:采用DDS信号发生器来产生本征频率正弦波。其实现方法是:利用单片机波表到FPGA的RAM中,然后将波表数据输出到D/A中,通过D/A转换而得到。该方法实现简单,只需要一片DA芯片就可以了,但由于此方法只能产生频率较低的正弦波,对题目中所要求的1MHz-30MHz频率范围的正弦波产生比较困难,因此舍弃该方法。方案二:采用锁相环的频率合成技术实现。原理框图如下所示:通过改变程序分频器的分频比可以获得频率稳定度等同与晶振的输出信号,基于锁相环的窄带跟踪特性,可以较好的选择所需频率信号,抑制杂散分量。但由于锁相环本身是个惰性环节,频

2、率转换时间较长,同时受VCO可变频率范围的影响,频带不能做的很宽。方案三:采用AD9851来产生本征频率正弦波。AD9851是AD公司最新推出的采用先进CMOS技术生产的具有高集成度的直接数字合成器,内置32位频率累加器、10bit高速DAC、高速比较器和可软件选通的时钟6倍频电路。外接参考频率源时,AD9851可以产生频谱纯净、频率和相位都可控且稳定度非常高的正弦波,可以直接作为信号源。由于要产生的正弦波信号要稳定度高、相位稳定、频带较宽,且目前有可用的AD9851模块可用,因此采用方案三。1.2混频电路的方案比较与选择方案一:采用三极管电路实现信号的混频。电路原理图如右图所示:其中:为输入

3、的待测信号,为本征频率正弦波信号。由于在该方案中用到了分立元件三极管,电路中容易产生非线性失真,同时,相对于数字电路来说,该电路性能也不是很稳定。方案二:采用模拟乘法器芯片AD835实现信号的混频。AD835是电压输出的模拟乘法器,其基本功能是实现W=XY+Z。该乘法器芯片可以实现250MHz范围内信号的混频。电路的原理图如右图所示:根据以上的分析可知,由AD835实现的混频器电路性能要优于采用三极管实现的混频器电路,因此,采用方案二实现电路。1.3窄带滤波器的方案选择与比较方案一:直接采用RC电路实现窄带滤波器功能。即直接将R和C接成低通加高通或带通的形式。由于窄带滤波器的带宽非常窄,且频率

4、范围非常高,因此要实现电路的功能,电路的阶数要很高,电路相对比较繁琐。方案二:采用专用滤波器芯片Max264实现窄带滤波功能。MAX264主要由两个独立的滤波单元、分频单元、fo 逻辑单元、Q逻辑单元及模式设置单元等电路组成。该芯片内集成了设计滤波器所需的电阻电容,在应用中几乎不用外接器件,其中心频率、Q值及工作模式都可以通过对引脚编程控制,它可以工作于带通、低通、高通、带陷或是全通模式,时钟输入(外接时钟信号或晶振和5 比特编码控制可以精确地设置中心频率fo及Q值(0.564。通过减小fclk/fo比值,可使其通带截止频率达140kHz。根据以上的分析比较可知,方案二实现简单,性能优良简易频

5、谱分析仪的设计与制作 王泽军(武汉大学电子信息学院 湖北·武汉 430079摘要:本系统是根据外差原理,采用被测信号与本征频率混频来实现。该方法可以实现对1MHz-30MHz频率范围内信号的频谱分析。频率分辨率和误差都要小于10KHz。我们利用DDS集成专用芯片AD9851来产生本征频率的正弦波信号,通过由AD835实现的乘法器实现频率的合成,然后经过基于Max264的窄带滤波器,得到所测信号的频谱特性曲线。整个系统实现简单,操作界面友好。关键词:DDS 混频 窄带滤波 中图分类号:C914 文献标识码:A 文章编号:1007-3973(20081-078-2 ,因此采用方案二。2系

6、统实现的总体框图 整个系统思路明确、结构清晰。在该系统的实现中采用AD9851产生本征频率的正弦波信号,采用AD835芯片实现信号的混频,利用Max264实现窄带滤波,然后通过AD637实现峰值的检测。3理论分析与计算在设计中,首先根据 所需的频率响应特性,确定出品质因数(Q及截止频率,由Q 值进而确定出N 值:Q=64/(128-N 模式1,3,4Q=90.51/(128-N 模式2也可以由Q 值查右表得出N 。得到N 后,进而可以求出fclk/fo 值:fclk/fo=(N+13 模式1,3,4;fclk/fo= (N+13 / 模式2。因为时钟频率fclk 所以即可求出fo 。4 各功能

7、电路的实现4.1自动增益控制电路的实现由于待测的信号频率范围为1MHz-30MHz ,因此需要AD9851产生的本征频率的正弦波要有很宽的频带范围,而在较宽的频带内,信号的幅度会有所衰减。但是系统对本征频率正弦波的要求是幅度稳定,因此引入AGC 电路。该电路采用AD603实现,能够对90M 带宽内实现-1dB -41dB 的自动增益控制。具体电路的实现如下图所示:4.2混频电路的实现采用AD835实现信号的混频,其电路的实现较简单,如下图所示: 4.3峰值检测电路的实现由于直接测取信号的峰值比较困难,而测取信号有效值相对比较简单,因此采用AD 公司生产的专用有效值检测集成芯片AD637。电路的

8、实现如下图所示:5 测试条件与测试数据表格5.1测试仪器与测试环境PC 机:清华同方P4 1.7G ,512M 双踪数字存储示波器:TEKTRONIX TDS1002信号发生器:AGILENT 33120A 直流稳压稳流电源:SG1733SB3A 伟福仿真机:SH515.2测试数据表格(略6 结论本系统基本实现了题目要求的要求,而且有些指标要优于题目要求,如在频率分辨率上我们可以做到小于5KHz ,并扩展了输出信号的频带范围。同时在信号频率的测取上我们可以将误差控制在510以下。参考文献:1 全国大学生电子设计竞赛组委会(编.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选(2003M.北京:北京理工大学出版社,2005.2李朝青 编.单片机原理及接口技术M.北京:北京航空航天大学出版社, 2003年1月第9次印刷.3谢自美 主编.电子线路设计·实验·测试M.武汉:华中科技大学出版社,2003年1月印刷第二版.4李瀚荪.电路分析基础M.北京:高等教育出版社.2002年第四版.5谢嘉奎主编.电子线路非