簡易頻譜分析儀課程設(shè)計

1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計 2014 年 7 月 18 日課 程 通信電子線路課程設(shè)計 題 目 簡易頻譜分析儀 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 指導(dǎo)教師 東北石油大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程 通信電子線路課程設(shè)計 題目 簡易頻譜分析儀 專業(yè) 姓名 學(xué)號 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等主要內(nèi)容：設(shè)計一個測量頻率范圍覆蓋為 10MHz-30MHz，可根據(jù)用戶需要設(shè)定顯示頻譜的中心頻率和帶寬，還可以識別調(diào)幅，調(diào)頻和等幅波信號的簡易頻譜分析儀?；疽螅海?）頻率測量范圍為 10MHz-30MHz；（2）頻率分辨力為 10kHz，輸入信號電壓有效值為 20mV5mV，輸

2、入阻抗為 50；（3）可設(shè)置中心頻率和掃頻寬度；（4）借助示波器顯示被測信號的頻譜圖，并在示波器上標(biāo)出間隔為 1MHz的頻標(biāo)。主要參考資料：1 謝家奎電子線路(非線性部分)M北京:高等教育出版社 2 張建華數(shù)字電子技術(shù)M北京:機械工業(yè)出版社 3 陳汝全電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊M北京:機械工業(yè)出版社完成期限 2014.7.14 2014.7.18 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2014 年 7 月 14 日摘要系統(tǒng)利用 SPCE061A 單片機作為主控制器，采用外差原理設(shè)計并實現(xiàn)頻譜分析儀：利用 DDS 芯片生成 10KHz 步進的本機振蕩器，AD835 做集成混頻器，通過開關(guān)電容濾波器取出各個頻點（相

3、隔 10KHz）的值，再配合放大，檢波電路收集采樣值，經(jīng)凌陽單片機 SPCE061A 的處理，最后送示波器顯示頻譜。測量頻率范圍覆蓋 10MHz-30MHz，可根據(jù)用戶需要設(shè)定顯示頻譜的中心頻率和帶寬，還可以識別調(diào)幅，調(diào)頻和等幅波信號。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：SPCE061A；DDS；頻譜分析儀目錄 設(shè)計要求 1 方案論證 1 方案設(shè)計 23.1 硬件設(shè)計 23.2 軟件設(shè)計 8 測試說明 94.1 測試儀器 94.2 測試過程幾組測試數(shù)據(jù)9 小結(jié)10 系統(tǒng)需要的元器件清單11參考文獻11通信電子線路課程設(shè)計（報告）1 設(shè)計要求設(shè)計一個測量頻率范圍覆蓋為 10MHz-30MHz，可根據(jù)用戶需要設(shè)定顯示頻

4、譜的中心頻率和帶寬，還可以識別調(diào)幅，調(diào)頻和等幅波信號的簡易頻譜分析儀。基本要求：（1）頻率測量范圍為 10MHz-30MHz；（2）頻率分辨力為 10kHz，輸入信號電壓有效值為 20mV5mV，輸入阻抗為50；（3）可設(shè)置中心頻率和掃頻寬度；（4）借助示波器顯示被測信號的頻譜圖，并在示波器上標(biāo)出間隔為 1MHz 的頻標(biāo)。 方案論證方案一1：掃頻法。這種頻譜分析儀采用外差原理，由本機振蕩器產(chǎn)生一定步進頻率的信號與輸入信號相乘，然后由適當(dāng)?shù)臑V波器將差頻分量濾出以代表相應(yīng)頻點的幅度。本機振蕩信號可以達(dá)到很寬的頻率，與外部混頻器配合，可擴展到很高頻率。這種方法的突出優(yōu)點是掃頻范圍大，硬件成本低廉，但

5、這種方法對硬件電路要求較高，各模塊性能都需要精心設(shè)計，且連接在一起整體調(diào)試時有一定難度。而且它只適于測量穩(wěn)態(tài)信號的頻率幅度，獲得測量結(jié)果要花費較長的時間。方案二2：FFT 法。這種頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對輸入信號取樣,再經(jīng) FFT 處理后獲得頻譜分布圖。它的頻率范圍受到 ADC采集速率和 FFT 運算速度的限制。為獲得良好的儀器線性度和高分辨率，ADC 的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍。FFT 運算時間與取樣點數(shù)成對數(shù)關(guān)系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時，要選用高速的 FFT 硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號處理器(DSP)芯片。可見這種方法的優(yōu)點是硬

6、件電路簡單，主要依靠軟件運算，可以提高分辨率。但缺點是頻率越高，對 ADC 和 DSP 芯片的速度要求越高，相應(yīng)價格也越昂貴。方案三：分段 FFT。這種方法將輸入信號分段，逐段進行 FFT 的處理，這樣分段取樣降低了對 ADC 和 FFT 硬件的速度要求，又可以在相對窄的頻段內(nèi)得到更高的頻譜分辨率。但是這種方法在軟件和硬件的設(shè)計和測試上顯然要復(fù)雜很多，尤其是在 1M-30MHz 如此寬的頻段范圍內(nèi)。根據(jù)實際條件和成本上的考慮，在滿足題目要求的前提下，我們選擇方案一通信電子線路課程設(shè)計（報告）2實現(xiàn)頻譜分析儀。 方案設(shè)計 根據(jù)題目要求，系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖 1。圖 1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖系統(tǒng)利用

7、SPCE061A 單片機作為主控制器，采用外差原理設(shè)計并實現(xiàn)頻譜分析儀：利用 DDS 芯片生成 10KHz 步進的本機振蕩器，AD835 做集成混頻器，通過開關(guān)電容濾波器取出各個頻點（相隔 10KHz）的值，再配合放大，檢波電路收集采樣值，經(jīng)凌陽單片機 SPCE061A 的處理，最后送示波器顯示頻譜。測量頻率范圍覆蓋 10MHz-30MHz，可根據(jù)用戶需要設(shè)定顯示頻譜的中心頻率和帶寬，還可以識別調(diào)幅，調(diào)頻和等幅波信號。3.1 硬件設(shè)計硬件電路原理圖如圖 2。（1）單片機最小系統(tǒng)4本系統(tǒng)選用 SPCE061A3單片機作為主控制器，進行信號處理和控制人機交互。SPCE061A 是一款 16 位結(jié)構(gòu)

8、的微控制器。在存儲器資源方面，SPCE061A 內(nèi)嵌 32K字的閃存（Flash），可供存儲掃描所得的頻率點幅值，而不用外置存儲器，節(jié)省了存儲時間，方便對數(shù)據(jù)進行處理；在處理速度方面，它的 CPU 時鐘為AD603 放大濾波器 AD835放大器 OP07濾波器 MAX297有效值檢波器MX636MCUSPCB061A示波器顯示DDS 本振AD603 衰減鍵盤及顯示電路fi數(shù)據(jù)采集通信電子線路課程設(shè)計（報告）30.32MHz49.152MHz，較高的處理速度使其能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號；32 位通用可編程輸入/輸出端口便于與外圍器件相連；7 通道 10 位電壓模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC

9、)可供采集樣值。（2）DDS 集成芯片本系統(tǒng)中選用 AD9850 DDS 集成芯片完成 DDS 本振。AD9850 是高穩(wěn)定度的直接數(shù)字頻率合成器件，內(nèi)部包含有輸入寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)字合成器（DDS）、10 位高速 D/A 轉(zhuǎn)換器和高速比較器。AD9850 高速的直接數(shù)字合成器（DDS）核心根據(jù)設(shè)定的 32 位頻率控制字和 5 位相移控制字，在外接 125MHz 晶振時，可產(chǎn)生高達(dá) 40MHz 的正弦波信號。圖 2 硬件電路原理圖根據(jù) AD9850 說明書的電路制作了 DDS 集成板。實際測試 DDS 的芯片所產(chǎn)生的信號波形（10M 以下）較好，幅度隨著頻率的升高而略有下降，為了滿足AD8

10、35 小信號混頻的性能，我們后接 AD603 加以衰減。詳細(xì)見下面（3）。（3）混頻器通信電子線路課程設(shè)計（報告）4乘法器 AD835 可以實現(xiàn) 250MHz 帶寬內(nèi)的混頻，這對于我們的設(shè)計完全滿足要求。而且其輸出幅度在不同頻率值時相對穩(wěn)定，外圍電路也相對簡單，不需要進行復(fù)雜的調(diào)零調(diào)試，只需要對 Z 的直流輸入進行相對調(diào)整即可。其基本原理框圖如圖 3 所示。其中 W=XY+Z。圖 3 AD835 原理框圖 AD835 對小信號的乘法精度較高，不易輸出新的頻率分量，所以我們利用AD603 將 DDS 輸出信號適當(dāng)衰減，將輸入小信號適當(dāng)放大，再送入乘法器，以獲得最好的相乘效果。電路連接如圖 4 所

11、示。+1X1X2Y1Y2X=X1-X2Y=Y1-Y2XYXY+ZZ INPUTW OUTPTAD835通信電子線路課程設(shè)計（報告）5圖 4 帶寬 90MHz、增益可控的 AD603 信號放大電路在實際測試過程當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)乘法器的輸出信號幅度會隨信號頻率的升高而略有增加，很好地彌補了 DDS 集成芯片 AD9850 輸出信號的幅度隨著頻率的增加而小幅度降低的這種缺陷。（4）濾波器本設(shè)計要求頻譜分辨力為 10KHz，所以每個掃頻點的間隔為 10KHz，以此頻點作為中心，左右各 5KHz 范圍之內(nèi)為有效值，所以濾波器需要 5KHz 的帶寬。MAX297 為 8 階開關(guān)電容濾波器，可以實現(xiàn)截止頻率

12、0.150KHz 的可調(diào)，很容易滿足題目的要求。其帶內(nèi)增益平坦，帶外衰減速度很快。MAX297 的 1 管腳的 clk 信號可以外接一個電容實現(xiàn)截止頻率的選擇：)(310)(5pFCkHzfoscosc這樣可以根據(jù) MAX297 的截止頻率和 clk 的比值為 1:50 的關(guān)系確定截止頻率fc，經(jīng)過實際測試選擇 120 pF 可以實現(xiàn) 5KHz 的截止頻率，滿足題目的頻譜分辨率要求。如圖 5 所示。圖 5 由 MAX297 所組成的截止頻率為 5KHz 的 LPF（5）檢波電路為了提高檢波精度，我們選擇了 MX636 作為檢波電路，其電路原理圖如圖通信電子線路課程設(shè)計（報告）66，它的外圍電路

13、只有一個電容。這個電容的選擇很重要，它決定了檢波的精度和穩(wěn)定時間。大電容檢測精度高，放電時間長；小電容會加大檢波電路的輸出電壓的波紋，使檢測精度下降。為了平衡 DDS 的掃描速度和數(shù)據(jù)采集精度的問題，我們選擇了 0.1uF 的電容，經(jīng)過測試效果比較理想。圖 6 MX636 檢波電路原理圖（6）電源管理及保護由于本系統(tǒng)各模塊對電源的要求不一致，若各種電源值都由外部分別提供，則電源接口會顯得很復(fù)雜，所以在電源設(shè)計上，本方案使用了各種穩(wěn)壓三極管。外部只提供正負(fù) 16 伏的電源，+15 用 7815 分壓得到；- 15V 用 7915 分壓得到；+5V 用 7805 分壓得到；- 5V 用 7905

14、分壓得到。另外，為了防止用戶誤將電源反接而損毀系統(tǒng)內(nèi)部芯片，我們在電源的入口接了一個二極管，負(fù)極接正電源，正極接負(fù)電源，若電源反接，接口電壓會限制在二極管的導(dǎo)通壓降 0.7V，保證了整個電路安全。如圖 7 所示。 （7）鍵盤及顯示電路本設(shè)計中采用普通的 44 鍵盤，其功能示意圖如圖 8。按鍵功能說明：09 和.為普通數(shù)字輸入。MHz為設(shè)置頻率和帶寬的單位。 Start/Return為新輸入信號后啟動測量和界面切換鍵。Set Fo和Set W分別為設(shè)置中心頻率和設(shè)置掃描帶寬鍵。通信電子線路課程設(shè)計（報告）7頻標(biāo)顯示決定是否顯示出頻標(biāo)。顯示模塊采用市場上常見的 FM1602C 液晶顯示模塊。液晶屏

15、上會有操作指示，可按響應(yīng)按鍵，使得操作簡單易懂。圖 7 電源分壓及保護電路1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 MHz 頻標(biāo) 顯示 通信電子線路課程設(shè)計（報告）8 Start/ Return F1/FoF2/ W 圖 8 鍵盤功能示意圖3.2 軟件設(shè)計在軟件控制【5】上，由于方案要求產(chǎn)生的 10KHz 頻率步進增加，所以對AD9850 頻率調(diào)制字改變也應(yīng)是快速的。AD9850 調(diào)制字（Tuning Words）的裝入采用異步串行接口 UART，同時兼顧到單片機 I/O 口的分配和對調(diào)制字裝入速度的要求。另外，由于硬件采集系統(tǒng)無法達(dá)到全頻段的穩(wěn)定性，在收集頻譜樣值后我們通過軟件對其進行一定的校

16、準(zhǔn)處理：根據(jù)固定輸入信號的幅值，對全頻段掃描結(jié)果并記錄比較，設(shè)計校準(zhǔn)曲線，來達(dá)到良好的穩(wěn)定性，彌補硬件頻率失真帶來的誤差，提高頻譜測量儀的精度。軟件還對數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)頻譜特性判別是AM、FM 或單頻波，計算調(diào)制深度或調(diào)頻系數(shù)。其主程序流程圖如圖 9。開始系統(tǒng)初始化顯示“Welcome！Press Start”開始鍵是否按下？DDS 開始掃頻，顯示“Scanning，Please Wait”找到中心頻率，并以默認(rèn)帶寬將顯示數(shù)據(jù)讀出存入 RAM掃描送顯示波器，液晶顯示中心頻率和帶寬是否有鍵按下？重新設(shè)置中心頻率和帶寬，并進行示波器掃頻顯示分析NYNY通信電子線路課程設(shè)計（報告）9圖 9 主程序

17、流程圖 測試說明4.1 測試儀器 Tektronix TDS1012 雙通道數(shù)字示波器 100MHz HT-1714C 型直流穩(wěn)壓電源 TFG2030 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器 30MHz UT56 Multimeter 數(shù)字萬用表4.2 測試過程幾組測試數(shù)據(jù)（1） 頻率范圍測試測試條件：輸入信號有效值 20mV。表 1 頻率范圍測試輸入頻率 fi /MHz12345678910示波器顯示電壓 /V4.24.24.24.24.44.04.04.03.84.0測得輸入信號有效值 /mV21212121222020201920輸入頻率 fi /MHz11121314151617181920示波器顯示

18、電壓 /V4.03.83.83.83.83.84.03.84.03.8測得輸入信號有效值 /mV20191919191920192019輸入頻率 fi /MHz21222324252627282930掃頻數(shù)據(jù)輸入 CPU，并存入 Flash液晶刷新顯示通信電子線路課程設(shè)計（報告）10示波器顯示電壓 /V3.83.83.83.83.84.04.03.83.84.0測得輸入信號有效值 /mV19191919192020191920結(jié)果：最大誤差 2mV。（2） 幅度精度測試：(示波器顯示幅值和測得相應(yīng)頻點幅度有效值)表 2 幅度精度測試輸入幅度有效值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結(jié)果：在測量范圍內(nèi)，幅度精度較高,誤差在 2mV 以內(nèi)。（3） 識別調(diào)幅，調(diào)頻，等幅波測試 輸入等幅波，可精確掃描到中心頻率點。 輸入調(diào)幅波調(diào)制度為 30%，調(diào)制信號頻率為 20KHz,中心頻率 Fo=10MHz,載波信號,幅度 500mV 峰峰值。結(jié)果：三條譜線，中心頻率 10MHz。兩邊頻率為 9.98MHz 和 10.02MHz，中間幅度/邊頻

20、幅度約為 1/6，可計算出調(diào)制度為 33%。 輸入調(diào)頻波頻偏為 20KHz，調(diào)制信號頻率為 1KHz, 中心頻率 2MHz 載波信號,幅度 600mV 峰峰值。結(jié)果：可以看到中心頻率值左右有多條譜線，但幅度不同，可以算出中心頻率 2MHz。分析：因為掃頻是測量某一瞬態(tài)的頻譜，對于調(diào)頻波這種變頻信號，不同瞬態(tài)的頻譜圖不一樣。頻率最大值會在頻偏范圍內(nèi)擺動，且每隔 1KHz 的頻譜超過了我們的分辨率，所以我們測得的調(diào)頻信號頻譜不是特別理想。但仍然可以根據(jù)譜線分布特征判斷出為調(diào)頻波的中心頻率。通信電子線路課程設(shè)計（報告）11 小結(jié)本設(shè)計利用外差原理實現(xiàn)了對信號頻譜分析的功能，覆蓋了 10MHz-30MHz 的頻譜范圍。對電壓值的標(biāo)定采用對比法，能得到很高的測量幅度精度。利用示波器顯示頻譜值，并可根據(jù)使用需要設(shè)置中心頻率和顯示帶寬。應(yīng)用了集成度較高的芯片作為個功能模塊，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。在設(shè)計中各模塊的設(shè)計都很重要，只有掌握好各種芯片的性