简易频谱分析仪课程设计说明书

1、目录一、课程设计目的···········································3二、课程设计内容和要求···&#

2、183;·································32.1、设计内容···············

3、;·······························32.2、设计要求·················&#

4、183;····························3三、设计方案····················&

5、#183;··························33.1、设计思路·····················

6、3;························33.2、工作原理及硬件框图·······················&#

7、183;············43.3、硬件电路原理图···································&#

8、183;····43.4、PCB版图设计···········································5四

9、、课程设计总结···········································15五、参考文献····

10、83;··········································16一、 课程设计目的；印刷板图；二、 课程设计内容和要求2.1、设计内容 本系统利用SP

11、CE061A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。2.2、设计要求采用外差原理设计并实现频谱分析仪，具体要求如下：1. 频率测量范围为10MHz30MHz。2频率分辨力为10kHz，输入信号电压有效值为20mV±5mV ,输入阻抗为50欧。3可设

12、置中心频率和扫描宽度。三、 设计方案3.1、设计思路扫频法：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。3.2、工作原理及硬件框图    根据题目要求，系统总体设计框图如图1，硬件连接图如图2。图1 

13、系统总体设计框图  图2  系统硬件连接图3.3、硬件电路原理图3.4、PCB版图设计1）硬件设计（1） 单片机最小系统如图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/输出端口便于与外围器件相连；7通道

14、10位电压模/数转换器(ADC)可供采集样值。（2）DDS集成芯片如图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AD835小信号混频的性能，我们后接AD

15、603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3所示。其中W=X×Y+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号频率的升高而略有增加，

16、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的关系确定截止频

17、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）检波电路如图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6  MX636检波电路原理图（6）电源管理及保护由于本

18、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，+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7所示。 图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4×4键盘，其功能示意图如

19、图8。1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 MHz 频标 显示  Start/ Return F1/ Fo F2/ W 图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

20、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

21、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。 图9   主程序流程图3）、测试说明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

22、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 /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、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2  幅度精度测试输入幅度有效值 Fo=1MHz Fo=10MHz Fo=20MHz Fo=30MHz 15mV 3V /15mV 20mV 4V/20mV 4V/20mV 25mV 5V/25mV 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

24、，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特征判断出为调频波的中心频率。四、 课程设计总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1MHz-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