实验三频谱分析实验

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1、31实验三实验三 频谱分析实验频谱分析实验一、实验目的一、实验目的1. 通过对输入模拟信号频谱的观察和分析，加深对傅里叶变换和信号频率特性的理解。 2. 掌握频谱分析模块的使用方法。二、实验内容二、实验内容1. 将信号源输出的模拟信号输入本模块，观察其频谱。 2. 将其它模块输出的模拟信号输入本模块，观察其频谱。三、实验器材三、实验器材频谱分析模块 、信号源模块、 其它功能模块、20MHz 双踪示波器、 连接线 四、实验原理四、实验原理模拟信号从 S-IN 输入，经过低通滤波以后，通过用拨码开关 K3 进行选择的通道（拨码开关有 4 位，分别对应最高频率为 1K，10K，100K，1M 的输入

2、信号） ，经 10 位 A/D 转换器 UB06（TLC876C）对经预处理后的模拟信号进行 A/D 转换（通过用拨码开关 K2 选择合适的采样 率） ，然后将数字信号传送到 UB01（TMS320VC5402）进行处理。最后把处理后的信号经两片 8 位 D/A 转换器 UB09（AD7524） 、UB10（AD7524）进行 D/A 转换以后分成 X 轴信号和 Y 轴信号 输出到示波器上进行频谱观察。 实验电路工作原理框图如下所示：输入 模拟 信号低通 滤波D/ADSP处理 （FFT变 换）A/D输出 至示 波器图 3-1 频谱分析模块原理框图1低通滤波器 低通滤波器的作用是抗混叠。所谓“混

3、叠”是指信号的最高频率超过 1/2 倍的采样频率时，部 分频率成分互相交叠起来的现象。这时，混叠的那部分频率成分的幅值就与原始情况不同，采样就 造成了信息的损失。因此在采样前需对输入信号做滤波，以去掉输入信号中高于 1/2 倍采样频率的 那部分频率成分。这种用以防混叠的模拟滤波器又称为“抗混叠滤波器” 。 本实验中采用的抗混叠滤波器是二阶巴特沃斯（Butterworth）低通滤波器，其原理图如下：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSize B Date:31-Aug-2002Sheet of File:E:proteltyfft.DDBDrawn B

4、y:R1R2C1C2+-R3Rf图 3-2 二阶低通滤波器原理图32其截止频率为:212121 CCRRc通带电压放大倍数为：33 RRRAf up2A/D 转换器 TLC876 是 CMOS 低功率 10 位 20MSPS 模/数转换器（ADC） 。TLC876C 工作温度范围为 00C 至 700C。 TLC876C 的特点如下： 十位分辨率 20MSPS 采样模/数转换器（ADC） 功耗典型值 107mW5V 单电源工作 差分非线性典型值5LSB 无丢失码 掉电（等待）方式 三态输出 数字 I/O 兼容 5V 或 3.3V 逻辑 可调基准输入 引脚与 AD 公司的 AD876 兼容 在本

5、模块中，TLC876C 将经过低通滤波器的模拟信号转换成数字信号，以数组的方式存入存储器 中，作为 FFT 的输入序列 x（n） 。 3DSP 处理 TMS320VC5402 是定点数字信号处理器，该芯片在此处的作用是将输入的数字信号进行按频 率抽取的 FFT 变换，然后再将所得的反序通过变址运算加以整序。由于 X（k）为复数，进行频谱 分析时要观察频谱幅度，因此将 X（k）取模，最后将模值送入存储器中。 4D/A 转换器 AD7524 是 8 位 D/A 转换器，将输出的数字信号转换成模拟信号，以便用示波器观察。先将触 发信号与频谱幅度进行处理得到 16 位数据送入存储器，然后将存储器中的高

6、 8 位送入 UB09 进行 D/A 转换分成 X 轴信号，低 8 位送入 UB10 进行 D/A 转换分成 Y 轴信号，最后输出到示波器上进 行频谱观察。五、实验步骤五、实验步骤1. 将信号源模块和频谱分析模块小心地固定在主机箱上，确保电源接触良好。 2. 插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再按下信号源模块上的开关 POWER1、POWER2 和 频谱分析模块上的开关 POWER1、POWER2，对应的发光二极管 LED001、LED002、L1、L2 发光， 各模块开始工作。 3. 用连接线连接信号源模块中信号输出点“32KHz 正弦波”及频谱分析模块中信号输入点“NRZ3” ，调节输

7、入增益调节电位器 WB01 调节输入增益，使输入信号的峰峰值测试点“NRZ2” 不超过 4V（最好在 3V4V 之间） 。设置拨码开关 K3 进行选择低通滤波的通道（拨码开关有 4 位， 分别对应最高频率为 1K，10K，100K，1M 的输入信号） ，此时可拨为 0010。 设置拨码开关 K2，选择合适的采样频率。拨码开关的状态与其对应的采样频率如下表所示：33K2 状态00000001001000110100010101100111采样频率 f4k11.2k18.4k25.6k32.8k40k112k184kK2 状态10001001101010111100110111101111采样频率

8、 f256k328k400k1120k1840k2560k3280k4000k例如：如果输入 32K 正弦信号，根据奈氏定理，采样频率不能低于 64K。由表 3-1 可查得，应该采 用 112K 的采样频率，即 K2 拨码开关应该设置在 0110 状态。如果输入 32K 方波，由于其谐波成分 比较多，在选择采样频率时，则要根据其 7 次谐波或 9 次谐波（或更高）的频率（分别是 224K 和 288K）作为采样频率的选择参考频率。由表 3-1 可查得，可采用 1120K 的采样频率，低通滤波的 通道也应相应地选择 1M 的通道，即拨码开关 K3 拨为 0001。当然，如果只须观察方波的 3 次

9、谐波 而忽略 3 次以后的谐波，则可用 3 次谐波的频率作为采样频率选择的参考频率。 示波器选用 X-Y 模式，分别调节电位器 WB06，WB07，改变信号输出增益，使示波器上显示的波 形清晰且幅度适中，即可进行观察。 改变输入频谱分析模块的模拟信号，重复上述观察。六、实验要求六、实验要求1.根据实验测试记录，在坐标纸上画出 32K 正弦波、2K 方波的频谱波形图。 2.将观察到的方波频谱与理论数值进行对比。七、注意事项：七、注意事项：输入单频率成分模拟信号时，应选择大于输入信号频率的最低采样频率的通道，即输入频率为 32KHz 时，应选择 112KHz 通道（将拨码开关 K2 设置在 0110 状态） ，而不是选择 184KHz 通道， 否则实验结果可能不准确。 输入多频率成分的信号时，如观察 2Kz 方波的频谱时，要注意频谱模块的 K2、K3 开关的设置， 应根据输入信号所包含的频率中的最高频率选择通道。 输入信号峰峰值不得超过 3V。 输入信号的最高频率不能高于 1MHz。