简易频谱分析仪

1、简易频谱分析仪摘要：本系统采用 TI 公司的 16 位单片机 MSP430F149作为控制核心， 采用外差原理设计并实现频谱分析仪， 基于 DDS 技术得到 10 kHz 步进的本机振荡器， 采用 AD835 进行混频，通过低通滤波器取出差频信号分量，再配合放大、检波电路得到各个频点的信号有效值。 单片机 MSP430F149 与扫频同步输出锯齿波扫描电压，利用示波器 X-Y 方式显示信号频谱分布。 测量频率范围覆盖 1MHz-30MHz ，可设定中心频率和带宽，还可以识别调幅，调频和等幅波信号。关键词： MSP430F149，DDS，混频，频谱分析一、系统方案1. 方案比较与选择1.1 频谱

2、分析仪的实现方案一：模拟式频谱分析仪模拟方式的频谱仪以模拟滤波器为基础，通常有并行滤波法、顺序滤波法，可调滤波法、扫描外差法等实现方法， 现在广泛应用的模拟频谱分析仪设计方案多为扫描外差法，此方案原理框图如图 1：U i混频器滤波器检波器Y放大器显示器扫频振荡器锯齿波扫描器X放大器图 1 模拟外差式频谱仪原理框图图中的扫频振荡器是仪器内部的振荡源， 当扫频振荡器的频率 fL 在一定范围内扫动时，输入信号中的各个频率分量 fx 在混频器中产生差频信号（ fo= fx-fL ），依次落入窄带滤波器的通带内（这个通带是固定的） ，获得中频增益，经检波后加到 Y 放大器，使亮点在屏幕上的垂直偏移正比于

3、该频率分量的幅值。 由于扫描电压在调制振荡器的同时， 又驱动 X 放大器，从而可以在屏幕上显示出被测信号的线状频谱图。 这是目前常用模拟外差式频谱仪的基本原理。 模拟外差式频谱仪具有高带宽和高频率分辨率等优点，但是模拟器件调试复杂，短期实现有难度。方案二：数字式频谱分析仪数字式频谱仪通常使用高速A/D 采集当前信号， 然后送入处理器处理， 最后将得到的各频率分量幅度值数据送入显示器显示，其组成框图如图3：Ui实时采样数字存储处理器显示器A/D转换图 3 数字式频谱仪组成框图信号经高速 A/D 采集送入处理器，通过硬件乘法器与本地由 DDS产生的本振扫频信号混频， 变频后信号不断移入低通数字滤波

4、器， 然后提取通过低通滤波器的信号幅度， 根据当前频率和提取到的幅度值， 即可以绘制当前信号频谱图。 但缺点是频率越高，对DSP芯片的速度要求越高，相应价格也越昂贵。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。2. 系统设计方案本系统以 MSP430 单片机为核心， 采用外差原理实现频谱分析仪， 将输入信号加到混频器上与本振信号混频后， 再经过低通滤波器将落入低频段的信号提取出来。系统原理框图如图4 所示，经由单片机控制DDS 产生的本机振荡频率fL，与输入信号fx 分别作为乘法器的两个输入端，产生两种频率的信号（fL -fx）和（ fL +fx），通

5、过低通滤波器后滤掉和频信号，再通过检波器检波得到滤波后的幅值信息，作为 Y 方向的信号输入到示波器，同时利用单片机产生同步的锯齿波信号作为 X 信号送到示波器，此时利用 XY 方式显示的波形即为输入信号的频谱特性。f Xf L-f XYAD835滤波器AD637被测信号f L示波器DDSMCUTLC7528X图 4 系统原理框图二、理论分析与计算被测信号的电压uxux coswxt（ 1）扫频信号的电压uLuL coswL t（ 2）经混频器得到uxuL1 uxuL cos( wLwx )tcos(wL wx )t（ 3）2经低通滤波器得到u1uuc o s (wLw ) t（ 4）oxLx2

6、三、电路与程序设计1. 电路设计1.1 MSP430 单片机系统设计以 TI 公司的高性能低功耗单片机MSP430F149 为核心，设计了键盘和显示电路。采用 TI 公司的电源稳压芯片 REG1117-3.3为单片机模块供电， 采用 TI 公司的 74HC573 锁存器实现数码管动态显示的位选和段选信号锁存，电路设计具有模块化特点， 便于与其他单元进行接口， 在本系统中， 为完成对各个正弦信号的幅度测量，采用 AD637 实现有效值检波，利用 MSP430 单片机内部的 12 位 A/D 转换器对检波结果进行采集，根据正弦信号幅值与有效值之间的固有关系，由 MSP430 以软件方式将有效值转换

7、为峰值， 通过液晶 12864 完成幅度的数字显示。1.2 正弦信号发生器频率测量范围是1M-3MHz ，对于这么宽的高频带，本系统采用AD9850 集成 DDS 芯片实现， AD9850 是高稳定度的直接数字频率合成器件，内部含有输入寄存器、数据寄存器、数字合成器、10位高速 D/A 转换器和高速比较器。 AD9850 高速直接数字合成器 (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 的正弦信号。根据 AD9850 说明书的电路制作 DDS 集成板。实际测试的 DDS 所产生的信号波形（ 10MHz 以下）较好，幅度

8、随着频率升高而略有下降。 AD9850 的原理方框图如图 5 所示。正弦波输出DACLPF相位控方波输出制字微正弦查相位累加器比较器处询表理器频率控相位控制字制字图 5 AD9850的组成框图1.3 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 6 乘法器原理图1.4 有效值检波器该模块采用的是 AD637， AD637 是一块高精度单片 TRMS/DC 转换

9、器，可以计算各种复杂波形的真有效值。 由于采用，峰值系数补偿在测量峰值系数高达10 的信号时附加误差仅为1% 。频带宽度在 2V 输入时可达 8MHz 。由于 AD637芯片可以对输入的正弦信号峰值直接计算并输出其有效值， 因此可以采用该芯片实现信号的峰值检测。其电路实现如图 7 所示：+12V10uF+12VOutPut-1BUFF INBUFF OUT14InPutTL072213+NCVinTL072312-12VCOMNC+12V24K 4OFFSETAD637+Vs11+5V-12V5CS-Vs10-12V6INPUTVout910uF24K78dB OUTCAV0.22uF图 7有

10、效值检波电路图1.5D/A 转换器采用 TLC7528 和两片 OP07 构成 D/A 转换器，其原理图如图 8 所示。整个 2 处用到 D/A 转换器，分别将单片机输出的数字量转换成模拟量， 传送到示波器的X轴和Y轴。+5V10uF +0.1uF17VCCDI014D0+15V4VREFADI113D110uFDI212D2+11DI3D318100.1uFVREFBDI4D46DAC(A/B)DI59D515DI68D616(CS) 7(WR) DI7D7271TLC752835RFBA2-10K+7uoOUTA19636RFBBOP37OP37OUTB20+3-24410uF10K+0.

11、1uF-15V图 8 D/A 转换器原理图1.6 滤波电路为设计通带平坦而截止特性优良的低通滤波器，利用FilterLab 2.0 软件，分别为各个不同频率的方波信号设计了相应的四阶巴特沃斯低通滤波器，混频器输出中包含有乘法器的两个输入端信号的和差分量，需要通过滤波器选出需要的频谱分量，抑制掉其它不需要的信号。题目要求频谱分辨率位10KHz，所以每个扫频点的时间间隔为10KHz ，及滤波器的带宽要小于10KHz ，对于低通滤波器，以此数值作为截止频率，所以低通滤波器的截止频率为 10KHz 。滤波电路如图9 所示。在设计过程中，采用了 TI 公司的宽带高速精密运算放大器 OP07，提升了滤波性

12、能。C215nFC42.2nF+15V+15V10uF+In0.1uF10uF +R1R20.1uF+R3R4Out+3K6.2K-10K18KC110uF+-C2+2.2nF10uF0.1uF2.2nF-15V0.1uF-15V图 9 四阶巴特沃斯低通滤波电路2. 程序设计四、测试方案与测试结果1. 测试方案2. 测试结果3. 测试波形结束语 出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂， 今天下三分， 益州疲弊， 此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。宫中府中

13、，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰“能 ”，是以众议举宠为督：愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。亲贤臣， 远小人， 此先汉所以兴隆也； 亲小人， 远贤臣， 此后汉所以倾颓也。 先帝在时，每与臣论此事， 未尝不叹息痛恨于桓、 灵也。 侍中、尚书、 长史、 参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也。臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。先帝知臣谨慎，故临崩寄臣以大事也。受命以来，夙