艺 术 与 设 计 简易频谱分析仪的设计与制作 □ 王泽军 （武汉大学电子信息学院 湖北 · 武汉 430079） 摘要：本系统是根据外差原理，采用被测信号与本征频率混频来实现。该方法可以实现对1MHz-30MHz频 率范围内信号的频谱分析。频率分辨率和误差都要小于10KHz。我们利用DDS集成专用芯片AD9851来产生本 征频率的正弦波信号，通过由AD835实现的乘法器实现频率的合成，然后经过基于Max264的窄带滤波器，得 到所测信号的频谱特性曲线。整个系统实现简单，操作界面友好。 关键词：DDS 混频 窄带滤波 中图分类号：C914 文献标识码:A 文章编号：1007-3973(2008)1-078-2 1 方案论证与选择 1.2 混频电路的方案比较与选择 1.1 本征频率正弦波产生的方案比较与选择 方案一：采用三极管电路实现信号的混频。电路原理图 方案一：采用 DDS 信号发生器来产生本征频率正弦 波。其实现方法是：利用单片机波表到 FPGA 的 RAM 中， 然后将波表数据输出到 D/A 中，通过 D/A 转换而得到。该 方法实现简单，只需要一片 DA 芯片就可以了，但由于此方 法只能产生频率较低的正弦波，对题目中所要求的 1MHz- 30MHz 频率范围的正弦波产生比较困难，因此舍弃该方法。 方案二：采用锁相环的频率合成技术实现。原理框图如 下所示： 如右图所示： 其中： 为输入的待测信号， 为本征频率正弦波 信号。 由于在该方案中用到了分立元 件三极管，电路中容易产生非线性失 真，同时，相对于数字电路来说，该电 路性能也不是很稳定。 方 案 二：采 用 模 拟 乘 法 器芯片 AD835 实现信号的混 频。AD835 是电压输出的模 拟乘法器，其基本功能是实现 W=XY+Z。 该乘法器芯片可以实现 250MHz 范围内信号的混频。 电路的原理图如右图所示： 根据以上的分析可知，由 AD835 实现的混频器电路性 能要优于采用三极管实现的混频器电路，因此，采用方案二 实现电路。 通过改变程序分频器的分频比可以获得频率稳定度等 1.3 窄带滤波器的方案选择与比较 同与晶振的输出信号，基于锁相环的窄带跟踪特性，可以较 好的选择所需频率信号，抑制杂散分量。但由于锁相环本身 是个惰性环节，频率转换时间较长，同时受 VCO 可变频率 范围的影响，频带不能做的很宽。 方 案 三：采 用 AD9851 来 产 生 本 征 频 率 正 弦 波。 AD9851 是 AD 公司最新推出的采用先进 CMOS 技术生产 的具有高集成度的直接数字合成器，内置 32 位频率累加 器、10bit 高速 DAC、高速比较器和可软件选通的时钟 6 倍 频电路。外接参考频率源时，AD9851 可以产生频谱纯净、 频率和相位都可控且稳定度非常高的正弦波，可以直接作 为信号源。 由于要产生的正弦波信号要稳定度高、相位稳定、频带 较宽，且目前有可用的 AD9851 模块可用，因此采用方案三。 方案一：直接采用 RC 电路实现窄带滤波器功能。即直 接将 R 和 C 接成低通加高通或带通的形式。由于窄带滤波 器的带宽非常窄，且频率范围非常高，因此要实现电路的功 能，电路的阶数要很高，电路相对比较繁琐。 方案二：采用专用滤波器芯片 Max264 实现窄带滤波 功能。MAX264 主要由两个独立的滤波单元、分频单元、fo 逻辑单元、Q 逻辑单元及模式设置单元等电路组成。该芯片 内集成了设计滤波器所需的电阻电容，在应用中几乎不用 外接器件，其中心频率、Q 值及工作模式都可以通过对引 脚编程控制，它可以工作于带通、低通、高通、带陷或是全通 模式 , 时钟输入 ( 外接时钟信号或晶振 ) 和 5 比特编码控 制可以精确地设置中心频率 fo 及 Q 值 (0.5~64)。通过减小 fclk/fo 比值，可使其通带截止频率达 140kHz。 根据以上的分析比较可知，方案二实现简单，性能优良 78 科协论坛 ·2008 年第 1 期（下） 

，因此采用方案二。 2 系统实现的总体框图 整个系统思路明确、结构清晰。在该系统的实现中采 用 AD9851 产生本征频率的正弦波信号，采用 AD835 芯 片实现信号的混频，利用 Max264 实现窄带滤波，然后通过 AD637 实现峰值的检测。 3 理论分析与计算 在设计中，首先根据 所需的频率响应特性，确定出品 质因数 (Q) 及截止频率，由 Q 值进而确定出 N 值： Q=64/(128-N) 模式 1，3，4 Q=90.51/(128-N) 模式 2 也可以由 Q 值查右表得出 N。得到 N 后，进而可以求 出 fclk/fo 值： fclk/fo=π(N+13) 模式 1，3，4； fclk/fo=π(N+13) / 因为时钟频率 fclk 是已知的，所以即可求出 fo。 2 模式 2。 4 各功能电路的实现 4.1 自动增益控制电路的实现 由于待测的信号频率范围为 1MHz-30MHz，因此需要 AD9851 产生的本征频率的正弦波要有很宽的频带范围，而 在较宽的频带内，信号的幅度会有所衰减。但是系统对本征 频率正弦波的要求是幅度稳定，因此引入 AGC 电路。该电 路采用 AD603 实现，能够对 90M 带宽内实现 -1dB － 41dB 的自动增益控制。具体电路的实现如下图所示： 4.2 混频电路的实现 艺 术 与 设 计 4.3 峰值检测电路的实现 由于直接测取信号的峰值比较困难，而测取信号有效 值相对比较简单，因此采用 AD 公司生产的专用有效值检 测集成芯片 AD637。电路的实现如下图所示： 5 测试条件与测试数据表格 5.1 测试仪器与测试环境 PC 机：清华同方 P4 1.7G ,512M 双踪数字存储示波器：TEKTRONIX TDS1002 信号发生器：AGILENT 33120A 直流稳压稳流电源：SG1733SB3A 伟福仿真机：SH51 5.2 测试数据表格 ( 略 ) 6 结论 本系统基本实现了题目要求的要求，而且有些指标 要优于题目要求，如在频率分辨率上我们可以做到小于 5KHz，并扩展了输出信号的频带范围。同时在信号频率的 测取上我们可以将误差控制在 510− 以下。 参考文献: [1] 全国大学生电子设计竞赛组委会（编）.全国大学生电 子设计竞赛获奖作品精选（2003）[M].北京:北京理工 大学出版社,2005. [2]李朝青 编.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航 天大学出版社, 2003年1月第9次印刷. 采用 AD835 实现信号的混频，其电路的实现较简单， [3]谢自美 主编.电子线路设计·实验·测试[M].武汉:华中 如下图所示： 科技大学出版社,2003年1月印刷第二版. [4]李瀚荪.电路分析基础[M].北京:高等教育出版社.2002年 第四版. [5]谢嘉奎主编.电子线路非线性部分[M].北京:高等教育出 版社.2000年5月.第四版. [6]陈建英、曲会英.直接数字频率合成器在FM调制中的应 用[J].电子技术.2004年第1期. [7]田书林,刘 科,周鹏.高速波形产生及频率调制技术研究 [J].电子科技大学学报Journal of UEST of China， 2004年2月第33卷第1期. 科协论坛 ·2008 年第 1 期（下） 79