简易频谱分析仪课程设计

1、东 北 石 油 大 学课 程 设 计 2014 年 7 月 18 日课 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 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 20mV5mV，输

2、入阻抗为 50；（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

3、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。关键词关键词：SPCE061A；DDS；频谱分析仪目录 设计要求 1 方案论证 1 方案设计 23.1 硬件设计 23.2 软件设计 8 测试说明 94.1 测试仪器 94.2 测试过程几组测试数据9 小结10 系统需要的元器件清单11参考文献11通信电子线路课程设计（报告）1 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

4、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 20mV5mV，输入阻抗为50；（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。 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

5、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

6、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，我们选择方案一通信电子线路课程设计（报告）2实现频谱分析仪。 方案设计 根据题目要求，系统总体设计框图如图 1。图 1 系统总体设计框图系统利用

7、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 SPCE061A3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

8、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AD603 放大滤波器 AD835放大器 OP07滤波器 MAX297有效值检波器MX636MCUSPCB061A示波器显示DDS 本振AD603 衰减键盘及显示电路fi数据采集通信电子线路课程设计（报告）30.32MHz49.152MHz，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

9、)可供采集样值。（2）DDS 集成芯片本系统中选用 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。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AD8

10、35 小信号混频的性能，我们后接 AD603 加以衰减。详细见下面（3）。（3）混频器通信电子线路课程设计（报告）4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

11、示。+1X1X2Y1Y2X=X1-X2Y=Y1-Y2XYXY+ZZ INPUTW OUTPTAD835通信电子线路课程设计（报告）5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

12、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：)(310)(5pFCkHzfoscosc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，其电路原理图如图通信电子线路课程设计（报告）66，它的外围电路

13、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

14、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 44 键盘，其功能示意图如图 8。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。通信电子线路课程设计（报告）7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

15、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1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 MHz 频标 显示 通信电子线路课程设计（报告）8 Start/ Return F1/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（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。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

16、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。开始系统初始化显示“Welcome！Press Start”开始键是否按下？DDS 开始扫频，显示“Scanning，Please Wait”找到中心频率，并以默认带宽将显示数据读出存入 RAM扫描送显示波器，液晶显示中心频率和带宽是否有键按下？重新设置中心频率和带宽，并进行示波器扫频显示分析NYNY通信电子线路课程设计（报告）9图 9 主程序

17、流程图 测试说明4.1 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

18、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扫频数据输入 CPU，并存入 Flash液晶刷新显示通信电子线路课程设计（报告）10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=20MHzF

19、o=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 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

20、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。通信电子线路课程设计（报告）11 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