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1、信号频谱分析仪合肥师范学院 胡超 尹龚情 李琬摘要：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-10MHz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，然后经过基于椭圆滤波电路的窄带滤波器，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，频谱，扫频，中心频率Abstract：This system according to the outside bad principle, the ad
2、option is measured signal and originally advertise for frequency to mix to repeatedly carry out.That method can carry out to the 1 MHzs MHz-10s repeatedly，The frequency chart analysis that lead the signal in the scope.Frequency resolution and error margins wanting all is smaller than 10 KHzs.We make
3、 use of DDS integrated appropriation chip AD9851 to produce originally。Advertise for the sine wave of frequency signal, pass is carried out synthesizing of frequency by the multiplication machine of AD835 realizations, then pass by according to oval filter an electric circuit of narrow take a filter
4、, get curve the frequency chart characteristic of measuring the signal.The whole system realization is simple and operate interface amity. Keyword:DDS mixs repeatedly narrow take to filter wave, frequency chart, sweep repeatedly, frequency in the center1 方案论证与比较31.1 采样方法方案论证31.2 处理器的选择方案论证31.3 周期性判别
5、与测量方法方案论证32 系统设计42.1 总体设计42.2 单元电路设计52.2.1 前级阻抗匹配和放大电路设计52.2.2 AD转换及控制模块电路设计62.2.3 功率谱测量单元电路设计63 软件设计74系统测试85 结论9参考文献：9附录：9附1：元器件明细表：9附2：仪器设备清单9附3：电路图图纸10附4：程序清单111系统方案选择与论证1.1设计要求 “信号频谱分析仪”是设计并制作一台能对单个或多个连续波信号进行分析，测试频率分析范围和频率分辨率，并把分析结果用图形在显示器显示的仪器。本仪器能对单个连续波信号进行分析，最高信号频率为10MHz，测频精度不低于1KHz。能对2个连续波信号
6、进行分析，最高信号频率为10MHz，频率分辨率不低于10KHz。能对调幅，调频信号进行分析，信号中心频率可到10MHz，最大宽H带可到1MHz，频率分辨率不低于10KHz。可以设置频率分析范围和频率分辨率，并频谱分析结果用图形在显示器上显示。涉及到的基础知识包含有: 模拟高中频部分, 显示处理部分, 波形控制部分,等1.2方案比较1.2.1 本征频率正弦波产生的方案比较与选择方案一：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
7、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。方案二：采用锁相环的频率合成技术实现。原理框图如下所示：晶振鉴相器低通滤波器程序分频器压控振荡器通过改变程序分频器的分频比可以获得频率稳定度等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
8、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弦波，可以直接作为信号源。方案四：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。论证：方案一，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。方案
9、二，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。方案四，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；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，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， 因此我们选择方案三。1.2.2 混频电路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。电路原理图如下图所示：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
10、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。电路的原理图如下图所示。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，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
11、效品质因数为几百，比LC滤波器要高，对通带外的信号能形成很强的衰减。方案三：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：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。 论证：方案一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
12、管实现的混频器电路，因此，采用方案二实现电路。方案三，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。 1.2.3窄带滤波器的方案选择与比较方案一：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
13、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(0.564)。通过减小fclk/fo 比值，可使其通带截止频率达140kHz。方案三“椭圆低通滤波器。 在该系统中，为了使输出信号频率最高10 MHz时能够最低程度地降低AD9850外部系统时钟30 MHz的干扰，采用具有较窄过渡带特性的椭圆滤波器，并采用7阶椭圆低通滤波。根据系统要求，输出信号的频率可达10 MHz，设
14、定其通带为10 MHz，且7阶滤波具有下降速度更快的过渡带，可以有效地滤除10 MHz以上的高频干扰。考虑到实际的椭圆滤波器设计与理论分析是有所不同的，在此使用Multisim 9经行仿真后得出椭圆滤波器的具体参数。据以上的分析比较可知，方案三实现简单，性能优良，因此我们选择方案三。2 系统设计2.1总体设计 2.2单元电路设计2.2.1本征频率正弦波产生以及实现输入信号的频率范围为1MHz30MHz，中频为458.5KHz，则本振频率的频率范围为：1.4585MHz31.4585MHz。由于振荡频率高达31.4585MHz，因此选用专用DDS芯片来产生本振频率。 AD9851是一款方便易用的
15、高速DDS芯片，其内部主要包括一个可选用的六倍频器，高速DDS模块和高速十位A/D转换模块，可以用较低的外部时钟和简单的外围元件实现较宽频带内的频率精度较高正弦波合成或者各种调制。这里用它合成正弦波，原理图如下：图2.4 AD9851原理图AD9851最高工作时钟可以达到180MHz，这里外部接30MHz晶振，经过内部的六倍频电路倍频到180MHz作为系统工作时钟。合成正弦波频率可以通过下式得到：其中SYSCLK是系统工作时钟，这里SYSCLK =30M * 6 = 180MHz。PHASE是通过串口数据线DATA _9851 和控制总线CONTROL_BUS_9851(3bit) 预置的32bit的频率控制字。通过上式可以简单的得到此时理论上可以得到的合成正弦波频率精度是：fwaveout=SYSCLKHz/232=180M/2320.015Hz合成正弦波的幅度由下式决定:其中，IOUT为PIN21输出的电流大小，由上式可以看出，它由PIN12外接的电阻决定。R1为PIN21外接的电阻，将电流转换为电压输出。这里= 3.9k,R1 = 100,则正弦波幅度约为1V。2.2.2
