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简易频谱分析仪与集成运放参数测试仪.doc
简易频谱分析仪（国防科技大学）
简易频谱分析仪[2005年电子大赛一等奖]
集成运放参数测试仪
简易频谱分析仪
与 集成运放参数测试仪
目 录
1
简易频谱分析仪
简易频谱分析仪【作者：尹三正 翟勇 蔡浩】……………………2
简易频谱分析仪（国防科技大学）……………………………………18
简易频谱分析仪（北京邮电大学）……………………………………31
集成运放参数测试仪
读题指导…………………………………………………… 43
论文（吴浩 李忠意 范志强）…………………………………… 46
简易频谱分析仪（一）
2
作者：尹三正 翟勇 蔡浩
赛前辅导及文稿整理辅导教师：尹仕
摘要：
本设计利用外差原理,以单片机为核心，辅助以 FPGA 等实现半数字化的频谱分析。系统由 4
个模块组成：混频模块,信号采集模块,频谱图显示模块,输入波形识别模块。混频模块将输
入信号与本振信号进行混频得到中频信号；信号采集模块对中频信号进行检波和 AD 采样，
将采样数据存入单片机；采样数据经单片机处理后送给 FPGA，由 FPGA 利用示波器的 XY 通
道完成频谱图显示；单片机通过对采集到的数据进行分析来判定波形，同时采用等精度测量
法测量输入信号中心频率。通过采用一定算法对输入信号进行处理，消除低中频带来的镜像
干扰。
关键词: 频谱，扫频，混频，中心频率
Abstract：
Key Words：spectrum, frequency scan, frequency mixture,
the center frequency
一 、方案设计和论证
本题目要求采用外差原理实现频谱分析仪，“外差”是变频的意思，因此将输入信号加
到混频器上与本振信号混频后，再经过窄带中频滤波器将落入中频带的信号提取出来。通过
AD 转换器对检波后的中频信号进行采样并存入单片机，单片机对数据进行处理后再通过
FPGA 将频谱图显示在示波器上。输入信号整形后可通过 FPGA 利用等精度法进行测频，由于
调频，调相和等幅波的频谱图不一样，通过识别输入信号的频谱特征就可判断是何种波形。
整个系统框图如图 1.1 所示。
1. 混频模块：
图 1.1：系统框图
方案一：选用 MC3362 搭建混频电路。MC3362 是 MOTOROLA 公司生产的单片窄带调频接
收电路，电路如图 1.2 所示：
3
图 1.2：MC3362 典型电路
载频信号从 MC3363 的 2 脚输入，进行第一级混频后将差频为 10.7MHz 的第一中频信号
从 23 脚输出，经中频为 10.7M 的陶瓷滤波器选频后再由 21 脚送到内部的第二混频级，将差
频为 0.455MHz 的第二中频信号从 7 脚输出，经 455kHz 陶瓷滤波器选频，再经 9 脚送入 MC3363
的限幅放大器进行高增益放大。
方案二：用乘法器和带通窄带滤波器搭建混频器：选用 AD835 作为乘法器，将本振信号
和输入信号相乘得到二者频率的和差信号，达到混频的效果，与较常用的乘法器 MC1596 相
比，其两路输入信号幅值可达到 1V ，对噪声可形成较强的抑制能力，而 MC1596 两个输入
端允许的最大信号幅值分别为 15mV 和 100mV，信噪比较低。
带通窄带滤波器选用陶瓷滤波器，它的等效品质因数 LQ 为几百，比 LC 滤波器要高，对
通带外的信号能形成很强的衰减。
论证：方案一只需一块集成芯片即可实现混频和中频输出，但与方案二相比其外围电路
过于复杂，而且其混频输出信号没有 AD835 干净，对输出噪声的抑制能力也较差。因此选择
方案二来完成混频输出。
2. 本机振荡器：
输入信号频率范围为 1MHz～32MHz，故要求本机振荡器的振荡频率要大于该值一个中
频。
方案一：采用 LC 正弦波振荡器与变容二极管产生本振频率，通过改变变容二极管两端
电压，使振荡电路输出频率发生改变。
方案二：采用 FPGA 实现。将正弦波信号的一个周期的离散样点的幅度数值量存于 RAM
中，以一定的地址间隔读出，经 DA 转换器转换输出，再经低通滤波滤除 D/A 带来的高次谐
波，即可获得所需要的波形。
方案三：采用专用 DDS 集成芯片来产生正弦波。
4
论证：方案一为传统的振荡器电路形式，组成电路繁琐而且不易实现频率线性步进，而
且要实现 29M 的频率变化范围难以实现；方案二采用 FPGA 产生正弦波，通过改变地址步进
间隔即可实现不同频率输出，但要以较小失真度产生 30M 正弦信号，比较困难。而采用专用
DDS 集成电路只需少量外围元件就能构成一个完整的信号源，而且控制方便，因此我们选择
方案三。
二、理论分析和参数计算
1. 混频模块
(1)中频的选择：
混频器的输出信号中除了需要的差额信号外，还存在一些谐波频率和组合频率，如果这
些组合频率接近中频并落在中频放大器的通频带内，则会形成干扰。
设本振信号频率为 LOf ，输入信号频率为 sf ，中频为 if ，组合频率为 kf ，当
f
k
pf
LO
qf
s
if
f
时会形成干扰。取 i
f
LO
f
，去除不可能存在的情况，得到:
s
f
用不同的 p，q 值带入上式算出相应的 s
s
1
p
p
q
f
f
f 值，得表如下：
表 2.1：组合频率选取参考表
i
i
编号
p
q
f
i
f
s
1
0
1
1
2
1
2
2
3
1
3
1
4
2
3
3
5
1
4
6
2
4
2/3
3/2
7
3
4
4
8
1
5
1/2
9
2
5
1
10
3
5
2
编号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
p
q
4
5
1
6
2
6
3
6
4
6
1
7
2
7
3
7
1
8
f
s
i
f
整个波段内， s
i
5
3/4
2/5
f
结合扩展部分，本题要测量的波段范围为 1～30MHz，我们选中频 if ＝458.5kHz，则在
f ＝2.15～65，满足这一范围的组合频率干扰点很少（仅编号 4，7，11，
4/3
5/2
1/3
3/5
2/7
1
15 四个点）。
(2)前置放大器：
5
2
8
1/2
由于输出信号电压有效值为 20mV 5mV,为降低噪声在输入端加一个前置放大器，使频
谱分析仪系统的噪声系数降低。同时为使系统输入阻抗与信号源输出阻抗匹配，我们在运放
的同相输入端接一个 50Ω电阻到地，由于运放同相输入端阻抗很大，这样输入信号阻抗几
乎为 50Ω，达到阻抗匹配。由于后级乘法器选用 AD835，在满足一定精度下要求输入信号
1V ，因而增益
A
v
1
V
mV
25
*1.4
28.57
，取前置放大器增益 vA 24。
由于输入信号最高频率达到 30M，则相应运放的增益带宽积应满足：
压摆率也应满足：
ainG
30
MHz
25 750
MHz
SR
2 V
om
f
s
=377V/
s
同时输入失调电压应尽量的小。根据这些指标要求，选择 MAX4117 作为前置放大器。
MAX4117 为电流型反馈运算放大器，大信号时增益带宽积为 280MHz，压摆率为 1200V/ s ，
输入失调电压为 1mV，内含两个独立运放，采用两级级联，分配第一级分配增益为 6，第二
级增益为 8，则相应增益带宽积要求为：
30
ainG
MHz
8 240
MHz
能达到要求，并能对 35MHz 以上信号形成衰减，由图 2.1 知，第二级输入信号为第一级
输出信号的一半，故总增益为： vA 6×8÷2＝24 满足设计要求。电路图如图 2.1 所示。
(2)乘法器：
图 2.1 前端放大电路
模拟乘法器将两端输入信号相乘，得到两个信号频率的和差频率，从而达到混频的效果。
模拟乘法器选用 AD835。AD835 是一款高带宽（250MHz），四信号输入乘法器，其输出噪声只
有50nV Hz ，在输入信号为 30MHz 时，其输出噪声为 0.274mV。其输入输出之间关系如
图 2.2 所示。实际电路如图 2.3 所示：在 4 脚与 5 脚和 5 脚与地之间接上电阻 R5 和 R6，则
混频后输出：
化简得到：
V =
i
R
6
R +R
5
V +
i
6
V V
o
s
U
V =11
i
V V
o
s
U
6
7
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