毕业论文——简易频谱分析仪

简易频谱分析仪摘要该简易频谱分析仪以单片机AT89S52为控制核心，控制高中频的二次变频扫频接收机进行频谱分量分析，同时在示波器屏幕上显示频谱分量，具有分析范围宽、高镜像抑制比和高分辨力的特点。该作品很好地达到了设计目标。AbstractThe simplified frequency spectrum analyzer adapts the AT89S52 MCU as the control unit.It controls the high and middle frequency receiver which can secondly changes frequency and scans frequency to analyse frequency spectrum. At the same time,the frequency spectrum is displayed on the screen of the oscillograph.This frequency spectrum analyzer has some excellent performance: the largo analyse range, high mirror restrain ratio,high resolving power.It better achieves the design aim.一、 方案设计与论证1、总体设计方案方案一：将被测信号放大后直接用DSP或单片机经A/D转换后进行傅立叶展开等数字处理，将得到的结果送到示波器等显示器件进行显示。这个方案的优点是比较容易从软件上进行各种数字运算的处理，因为本题目要求的指标并不高，采用这个方案将会极大提高设计成本和增加开发难度；方案二：参考题目推荐的方法，该题目可设计成一扫频接收机，在扫频范围内能检测到每个频点上的信号幅度，此方案的优点是电路比较简单，不需要DSP等专用芯片处理就可以满足设计要求，缺点是实时性比较差。比较两种方案，考虑制作难度、性价比和时间等因素，我们选用了方案二，参考专业短波通讯中的接收机电路，采用二次变频法将会得到比较高的镜像抑止比、灵敏度和选择性。 2、输入调谐回路 方案一：采用变容二极管和电感线圈组合成的压控可变中心频率的LC调谐回路进行选频，这种电路的优点是可以得到良好的选频特性，缺点是在130MHZ的覆盖范围内单个LC回路难以实现，需要用到频段切换等技术处理，难以做到比较好的一致性；方案二：采用非调谐宽带滤波的办法，输入级不设选频电路，只设置一个通频带为130MHZ的带通滤波器，缺点是没有选频特性，但是电路简单可靠；综合比较后选择方案二，选频的实现是在一次变频后用中心频率为45.499MHZ的LC滤波器选频。 3、混频器混频器是外差式接收电路必不可少的。方案一：用分立元件如三极管和二级管组成，显然电路比较简单，但是在混频增益和性能一致性上有所欠缺；方案二：用集成电路混频器，虽然一般的器件存在动态范围小的缺点，但是混频增益高和性能稳定；本作品需要用到两个混频器，要求比较高，综合比较后选择方案二，采用性价比很高的NE602作为混频器件，事实证明有很好的效果。4、中频值和中频滤波器本作品中用到二次变频，所以有两个不同的中频值。方案一：低中频+低中频，即第一和第二中频都比待接收频率的最高频率低，如第一中频用10.7MHZ，第二中频用455KHZ，由于频率不高，中频放大电路都比较好做，但是由于输入回路已经选定宽带输入，将带来严重的镜像干扰；方案二：高中频+低中频，即第一中频比待接收频率的最高频率高，第二中频比待接收频率的最高频率低，通过选用合理有效的输入调谐回路这种办法可以得到很高的镜像抑止比；综合比较后，选用方案二，第一中频用45.499MHZ，第二中频用4.999MHZ，同时第一中频滤波器用普通LC中频变压器，第二中频滤波器用带宽为2KHZ的石英晶体滤波器，这样可以得到很好的选择性。5、第一本振和第二本振电路采用宽带输入调谐回路后，通过改变第一本振的频率值即可改变待接收频率。方案一: 采用传统的LC振荡器，优点是电路简单，但是稳定度差，不容易数控是明显的缺点；方案二：用数字锁相环频率合成技术的方法产生，缺点是电路比较复杂，但是稳定性很好，容易由单片机控制；最终选定方案二，第一本振采用锁相环频率合成技术，精确度，稳定度高。由PLL芯片MB1501、压控振荡器芯片MC1648、频率为6.4MHZ的温度补偿晶体振荡器、作为主控器的单片机AT89S52组成，在单片机的控制下可以产生频率为45.499MHZ-75.499MHZ，频率稳定度与晶体的稳定度相当，步进为1KHZ的任意点频。第二本振由于是固定的，所以选用40.5MHZ的有源温度补偿晶体振荡器直接产生，精确度和稳定性均很好。6、AM/FM鉴别电路方案一：将待分析的信号或其转换后的中频信号经AD转换后用DSP或单片机分析，软件和硬件上的难度很大，时间也不允许；方案二：参考成品频谱分析仪的做法，将第一中频信号同时输入到AM检波器和FM鉴频器，靠人工对同一信号两种不同解调办法得到的不同结果来区别；综合比较后选用方案二，用简单的检波器和D7021集成电路组成的AM/FM鉴别电路即可得到满意的效果。7、核心主控器件方案一：选用一般数字电路组合而成，然而在本作品所需控制的器件的逻辑比较复杂，显然会提高成本和降低可靠性；方案二：选用性价比高的单片机；我们选择方案二，直接选用AT89S52单片机，性价比高，完全满足了本作品智能化的要求，同时与汉字液晶显示模块、键盘、D/A转换器等外围部件构成了一个完整的主控系统。8、整体系统框图系统框如图（1）如下：图（1）系统框图 二、 单元电路的分析与实现1、 带通滤波器为了将频率测量范围扩展至130MHZ，同时由于上下截止频率之比为30MHZ/1MHZ=30，因此必须在输入端设计一个带通滤波器，这个滤波器性能的好坏将影响被测频率的范围，为了有效地减少频谱混叠失真和提高信噪比，本带通滤波器采用切比雪夫滤波器。该滤波器的特点是：其逼近误差峰值在一个规定的频段上为最小，而且是等波纹的，即误差在极大值和极小值之间摆动。在设计过程中，滤波器各元件值都采取归一化值除以MHZ为单位的截止频率（边界频率）fc的值。设计时，我们确定了低通滤波器的谐波频率衰减值以及高通滤波器的次谐波频率衰减值，同时还确定了该滤波器的最大容许通频带波纹值和驻波比（SWR）。在计算电容值很接近电容器的标准化值时，我们选用标准化值的电容器。当计算值与标准化值相差较大时，我们用固定值的云母银电容器和云母压缩微调电容器并联使用。具体电路图如下图（2）所示： 图（2） 130MHz带通滤波器2、 混频器混频电路的作用在于将不同频率信号变换为同一个固定频率信号, 而保持其调制规律不变。 在本超外差式频谱分析仪中,采用两级变频的方法，提高仪器对谱线的分辩力。输入的频率信号与锁相频率合成的频率信号先经第一级混频器，将输入频率信号变换为中频45.499MHZ, 由于第一中频取得高，这样可以尽量避免外差式接收所特有的镜像频率干扰，但由于第一中频很高，其绝对带宽不能很窄，分辩力低。因此将第一中频经过中频滤波器后再经二次混频将45.499MHZ的信号变换为4.999MHZ的中频信号，这样得到的中频信号频率低，滤波器的通频带可以做得很窄，可以提高仪器对谱线的分辨力。由于器件的非线性特性，使得混频电路很容易产生混频干扰。为了减小或避免混频干扰，我们采取了一系列的措施：(1) 选择合适的中频。如果将中频选在接收信号频段之外, 可以避免中频干扰和最强的干扰哨声。对于本系统的130MHZ的输入频率，我们分别选取了45.499MHZ和4.999MHZ作为中频信号，这样产生中频干扰的45.499MHZ的外来干扰无法通过混频电路之前的选频网络。 另外,由非线性电路的分析方法可知，当两个频率信号作用于非线性器件时，会产生这两个频率的各种组合分量，设输入信号频率fc，本地振荡频率fL，输出中频fI， 从式子：|pfLqfc|=fIF 可看出, 来源于p=0, q=1分量最强的干扰哨声要求fc与fI的差值在音频范围内, 这个条件在整个中波波段都不会满足。尤其是采用高中频(中频高于接收信号频段), 还可以避免镜频干扰和其它一些寄生通道干扰。 (2) 提高混频电路之前选频网络的选择性, 减少进入混频电路的外来干扰, 这样可减小交调干扰和互调干扰。对于镜频可采用陷波电路将它滤掉。 (3) 采用具有平方律特性的场效应管，模拟乘法器或利用平衡抵消原理组成的平衡混频电路或环形混频电路,可以大大减少无用组合频率分量的数目,尤其是靠近有用频谱的无用组合频率分量,从而降低了各种组合频率干扰产生的可能性。 依据上述特点，我们采用了选用NE602作为混频电路的设计方案。NE602 是内含本地振荡的单晶片变频器，它具有混频的功能。其优点：灵敏度高，可以处理低到微伏的信号，更重要的是，它对于本地振荡或射频输入端的射频信号，只产生该有的反应，对射频外泄有很好的抑制能力；而其它种类的混频器，则容易经由输出管道，外泄射频讯号，如果在线路的设计上发生了射频外泄时，必需要附加一些过滤射频的相关线路，以防止这类现像发生，或减少射频外泄程度。NE602不仅输出端不会把高振幅的本地振荡讯号外泄，而且，其输出信号还可以直接推动后面的线路，也不会有超载之处。同时其灵敏度极高，因此在超外差式简易的频谱分析仪中，它扮演变频器的角色，独挑中频线路。其具体电路图如下图（3）所示：图（3）混频电路在该电路中同时具有混频和滤波的功能，将经过二次变频和窄带滤波后得到的中频信号直接输入到中频放大器进行放大。3、 第一本振第一本振采用锁相环频率合成的方法，其中包括锁相环频率合成电路以及压控振荡器（VCO）电路，分别介绍如下：（1） 锁相环频率合成电路以MB1501为核心构成的“ 吞除脉冲”式锁相频率合成器如图4所示。利用“吞除脉冲”式串行数字锁相频率合成器MB1501，在MCU和C51编程语言的支持下，成功地构成了全程扫描发生器。MB1501包含内部振荡器，参考分频器，可编程分频器，相位检波器，锁存器，移位寄存器，双模高速前置分频器和一位控制锁存器等主要部件。只需外接环路滤波器、压控振荡器、单片微处理器等电路即可构成一个完整的全程扫描频率合成器。该系列芯片具有如下特点：最高工作频率1.1GHz，输入信号的幅度不低于200mVp-p；工作电压为2.75.5V，典型值为3V；功耗低，在工作电压为3V，工作频率为1.1GHz时仅为45mW。采用串行数据输入控制方式。 图（4） “ 吞除脉冲”式锁相频率合成器组成框图图（4）是锁相环路原理简图。锁相环路是一个负反馈相位控制系统。它由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)和可编程分频器(NP)四个基本部件组成。为保证足够小的信道间隔和高的工作频率，可采用吞除脉冲式数字锁相频率合成器。所谓“吞除脉冲”技术，就是采用高速双模前置分频器，根据模式控制电平的高低，来控制它的分频比为P 或P +1。此类数字锁相频率合成器的结构框图如图4所示。图中，fr为参考频率；fP为反馈频率；NP，A为分频比系数；fO为压控振荡器输出频率。工作时，前置分频器先按除“P + 1”方式工作，当吞除计数器计到预置状态后，转换成除“P”方式工作。当前置分频器完成一个工作周期后，又回到除“P + 1”工作状态。具有吞除脉冲计数功能的可编程分频器的总分频比M有如下关系： M =P NPA （1）式中P为前置分频器的分频比。由于MB1501芯片内设置了移位寄存器，所以该芯片必须采用串行输入方式实现分频比的设置。为了使载波频率的变化有较高的精度，若取参考频率fr为1kHz，在外6.4MHz晶体使内部振荡器频率为6.4MHz的情况下，参考分频比为6.4MHZ/1KHZ =6400。因此仅需改变MB1501可编程分频器的吞除脉冲计数器分频比A和可编程计数器分频比NP即可控制锁相环的输出频率fO，使其工作在相应的工作频率上。当环路锁定时，振荡器的输出频率为：fO =（P/ NP + A） fr （2）其中 MB1501外围电路图如下图（5）所示图（5）MB1501外围电路（2）压控振荡器（VCO）电路选用芯片MC1648作为压控振荡器。MC1648使用外接LC并联振荡回路，将变容二极管接入并联回路中，作为并联回路谐振电容，使MC1648成为VCO。为了改善和提高其压控特性的线性和振荡频率的稳定度，使非线性互相抵消，采用将两个变容二极管背对背串联。该电路能使VCO 的频率稳定度均达到10 - 410 - 5量级。MC1648芯片内部的AGC电路维持VCO输出电压的稳定，使之不会因为频率的变化而变化，且VCO输出的信号幅度基本与输出频率无关。同时也具有较宽的压控范围。其具体连接电路如下图（6）所示:图（6）压控振荡器（VCO）电路4、 AM检波和FM鉴频为了识别调幅、调频和等幅波信号，必须对调幅和调频信号进行解调。在对调幅信号解调过程中我们采用二极管峰值包络检波器。为了减小交流直流负载之间的差别，我们在检波器与下一级电路之间插入一级射随器, 即增大RL的值。调频信号采用D7021进行解调，D7021 内包含有高放、混频、本振、二级有源中频滤波器、中频限幅放大器、鉴频器、低频器、低频放大器、静噪电路以及相关静噪系统等，它具有单声道FM 收音机的全部功能，外围电路简单，正符合设计的要求。AM检波与FM鉴频电路具体实现电路如下图（7）所示：图（7）调幅、调频识别电路5、X轴扫描电压产生电路驱动示波器X轴电压由D/A转换器产生，可以得到线性良好的锯齿波，有利于更好地读数。D/A转换器选用TCL7528，TCL7528是双路、8位数字模拟转换器，它设计成具有单独的片内数据锁存器，其特点包括非常紧密的DAC至DAC一致性。它可工作于电压方式，产生电压输出而不是电流输出，采用此种方式可节省运算放大器，使电路结构更加紧凑，利于系统小型化。6、1MHZ频标产生电路1MHZ的频标显示没有像传统的办法将谐波发生器的信号和被测信号混和的办法，而是利用本作品接收机部分的接收频率是可以精确定量的特点，当接收频率为1MHZ的整数倍时用单片机产生一个短脉冲，将这个短脉冲直接在示波器Y轴上混和即可得到所需频标，同理还可以得到其他频率的频标。7、单片机主控电路 本系统选用AT89S52单片机作为主控芯片，其性价比高，完全满足了本作品智能化的要求，同时与汉字液晶显示模块、键盘、D/A转换器等外围部件构成了一个完整的主控系统。电路图如下图（8） 图（8）单片机主控电路三、 软件系统的实现1、软件功能该软件系统的主要目标是要实现对MB1501锁相环频率合成器的控制，存储当前中心频率和扫频宽度至24C02，以及键盘输入、中文字库液晶显示输出等操作。通过控制MB1501的可编程分频器的吞除脉冲计数器分频比A和可编程计数器分频比NP，实现可设定中心频率和扫频宽度以及全频段扫频输出的功能。同时通过利用单片机给TLC7528输出数字量使之转换为线性度良好的电压模拟量，实现对示波器X轴的控制。2、系统程序流程图如图（9）所示：图（9）系统程序流程图四、 抗干扰措施由于本地振荡产生频率较高，达到45.499MHz75.499MHz，因此为了很好地避免自激和减少噪声，我们采取了一系列的抗干扰措施：1.将锁相频率合成部分装在屏蔽盒中，避免级间干扰和高频自激。2.使用同轴电缆，输入级和输出级使用BNC接头，各级之间用同轴电缆连接。3.电源隔离，各级供电采用电感隔离。4.数模隔离，数字部分和模拟部分之间除了电源隔离外，还将各控制信号用电感隔离。五、 系统测试1.调试方法和过程采用分别调试各单元模块，调试通过后再进行整机调试的方法。2.测试所用到的仪器和设计辅助软件奔腾4计算机DDS频率合成器模拟示波器泰克TDS1002示波器BT3B频率特性测试仪EE1642型函数信号发生器/计数器uVision2 IDE软件Protel 99 se3、测试数据和结果频谱分析仪对电压值的标定，从130MHZ选取几个频点，测量输出电压与输入频率的关系。测试数据如表（1）所示：输入频率1M5M10M20M30M输入电压有效值20mv20mv20mv20mv20mv示波纵轴高度(DIV)1.51.82.64.52.5表（1）、误差分析与系统性能总结由于条件限制,没有高精度的仪器对比,无法实现对本系统的精确定标。从测试结果来看各方面的指标都达到了或超过了