3763.简易频谱分析仪

1、简易频谱分析仪2005年电子大赛一等奖 摘要：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。关键词：spce061a dds一、方案论证方案一：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

2、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。方案二：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

3、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，我们选择方案一实现频谱分析仪。

4、二、详细软硬件设计 根据题目要求，系统总体设计框图如图2.1，硬件连接图如图2.2。图2.1 系统总体设计框图图2.2 系统硬件连接图1、硬件设计（1） 单片机最小系统如图2.1，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

5、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2.1，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ad

6、835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2.3所示。其中w=xy+z。图2.3 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2.4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

7、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2.4 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

8、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2.5所示。图2.5 由max297所组成的截止频率为5khz的lpf（5）检波电路如图2.1，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2.6，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2.6 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

9、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2.7所示。图2.7 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2.8。1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 m

10、hz 频标 显示 start/ return f1/ fo f2/ w 图2.8 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

11、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2.9。图2.9 主程序流程图三、测试说明1、测试仪器： tektronix tds1012 双通道数字示波器

12、 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3.1 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

13、 /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3.2 幅度精度测试输入幅度有效值 fo=1mhz fo=10

14、mhz 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