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简易频谱分析仪[2005年电子大赛一等奖]..doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.21M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    简易频谱分析仪[2005年电子大赛一等奖]
    简易频谱分析仪[2005 年电子大赛一等奖] 文章来源：凌阳科技教育推广中心 作者：北京邮电大学 刘轩 张绍亮 张迪 发布时间： 2006-5-25 20:53:23 摘要：本系统利用 SPCE061A 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。 关键词：SPCE061A DDS 一、方案论证 方案一：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。 方案二：FFT 法。这种频谱分析仪采用数字方法直接由 模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样,再经 FFT 处理后获 得频谱分布图。它的频率范围受到 ADC 采集速率和 FFT 运 算速度的限制。为获得良好的仪器线性度和高分辨率，ADC 的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍。FFT 运算时间 与取样点数成对数关系，频谱分析仪需要高频率、高分辨率 和高速运算时，要选用高速的 FFT 硬件，或者相应的数字信 号处理器(DSP)芯片。可见这种方法的优点是硬件电路简 单，主要依靠软件运算，可以提高分辨率。但缺点是频率越 高，对 ADC 和 DSP 芯片的速度要求越高，相应价格也越昂 贵。 方案三：分段 FFT。这种方法将输入信号分段，逐段进 行 FFT 的处理，这样分段取样降低了对 ADC 和 FFT 硬件的 速度要求，又可以在相对窄的频段内得到更高的频谱分辨 率。但是这种方法在软件和硬件的设计和测试上显然要复杂 很多，尤其是在 1M-30MHz 如此宽的频段范围内。 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。
    二、详细软硬件设计 根据题目要求，系统总体设计框图如图 2.1，硬件连接图 如图 2.2。 图 2.1 系统总体设计框图 图 2.2 系统硬件连接图 1、硬件设计 （1） 单片机最小系统
    如图 2.1，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 0.32MHz～ 49.152MHz，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 10 位电压模/数转换器(ADC)可 供采集样值。 （2）DDS 集成芯片 如图 2.1，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 AD603 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 2.3 所示。其中 W=X×Y+Z。 图 2.3 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 2.4 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，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 2.4 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 0.1～50KHz 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 2.5 所示。 图 2.5 由 MAX297 所组成的截止频率为 5KHz 的 LPF （5）检波电路 如图 2.1，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 2.6，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 2.6 MX636 检波电路原理图 （6）电源管理及保护 由于本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
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