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1、简易频谱分析仪的设计摘 要频谱分析仪的基本功能是测量信号的幅度/频率响应，可以完成诸如频谱成分分析、失真测量、调制信号谱分析、信号衰减测量、电子组件增益测量等。其基本工作原理是，扫频本振的频率随锯齿波发生器的输出在一定范围内扫描，使不同频率的输入信号与本振混频后，依次落入分辨率带宽滤波器通带内，进一步放大、检波后加到Y放大器，亮点在屏幕上的垂直偏移正比于该频率分量的幅值。由于扫描电压在调制振荡器的同时，又驱动X放大器，从而可以在屏幕上显示出被子测信号的频谱。本系统是根据外差原理设计并实现的频谱分析仪。利用DDS芯片生成10KHZ步进的本机振荡器，AD835做混频器实现频率的合成，通过滤波器取出
2、各个频点（相隔10KHZ）的值，再配合放大，检波电路收集采样值，经单片机SPCE061A处理，最后送给示波器显示频谱。测量频率范围覆盖130MHZ，该系统也可以根据用户的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 频谱分析，混频，滤波，外差原理 AbstractSpectrum analyzer to measure the signal is the basic function of the amplitude/frequency response can be finished such as spectrum composition analysis,
3、 distortion measuring, modulation signal spectrum analysis, signal attenuation measure, electronic component gain measurements. Basic working principle is, sweep frequency this the vibration of the frequency with the output of sawtooth wave generator in a certain range of different frequency scannin
4、g, make the input signal and the resonance frequency mixing, ordinal fall within bandpass filter bandwidth resolution, further amplification, after detection of amplifier, highlights added to Y in screen is proportional to the vertical migration of the amplitude frequency components. Due to scan vol
5、tage in modulation oscillator, and meanwhile, thus can drive X amplifier is shown on the screen in the spectrum of the measured signal quilt.This paper adopts heterodyne principle design and realize the spectrum analyzer. Use 10KHZ DDS chip generation step of this machine oscillators, AD835 do mixer
6、s, through the filter remove each frequency (10KHZ) value apart, coupled with amplifier, detection circuit to collect samples values of sunplus SPCE061A processing by MCU, finally send oscilloscope display spectrum. Measure frequency range covers 1-30MHZ according to user need to set the display spe
7、ctrum of center frequency and bandwidth, still can identify am, FM and amplitude wave signal.KEY WORDS Spectral analysis, mixing, smoothing, heterodyne principle目录摘 要IAbstractII1 绪 论- 1 -1.1 频谱分析仪的简介- 1 -1.2 总体设计方案比较- 2 -1.3 底层电路方案比较与选择- 2 -1.3.1本机振荡电路- 2 -1.3.2 混频电路- 3 -1.3.3 滤波电路- 3 -1.3.4 检波电路- 3
8、 -1.3.5 扫频发生器电路- 4 -1.4 本课题研究的意义- 4 -1.5 本课题设计思路- 4 -2 频谱分析仪的硬件设计- 6 -2.1 频谱分析仪的整体结构- 6 -2.2 频谱分析仪的各模块电路设计- 7 -2.2.1 本机振荡器模块- 7 -2.2.2 混频器模块- 9 -2.2.3 放大器模块- 9 -2.2.4 滤波器模块- 10 -2.2.5 检波器模块- 12 -2.2.6 扫频发生器模块- 13 -2.2.7 电源保护模块- 16 -3 软件设计- 18 -3.1 软件设计要求- 18 -3.2 主程序的软件设计- 19 -4 系统调试与指标测试- 20 -4.1 硬
9、件调试- 20 -4.2 软件调试- 20 -4.3 软硬联合调试- 20 -4.4 指标测试- 20 -4.4.1 仪器测试- 20 -4.4.2 指标测试- 20 -结 论- 23 -致 谢- 24 -参考文献- 25 -附 录- 26 -III1 绪 论1.1 频谱分析仪的简介 频谱分析仪是对无线电信号进行测量的必备手段，是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具，在各种振动、噪声、电声、发动机、建筑、生物、医学等领域也起着重要作用。因此，频谱分析仪的应用十分广泛，被称为工程师的射频万用表。频谱仪被誉为射频领域的示波器，现代频谱仪不仅具有传统的频谱分析功能，而且通过扩展选件，可以集成功率计
10、、频率计、标量/矢量网络分析仪、信号分析、通信测试仪等众多仪器的主要功能，堪称射频测试的集大成者，拥有一台高性能频谱仪，即可完成大部分射频测试、信号分析功能。现代实时频谱仪的出现，进一步将频谱仪的应用领域扩展到快速变化的瞬态信号测试、实时带宽信号分析中。传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机,输入信号经变频器变频后由低通滤器输出,滤波输出作为垂直分量,频率作为水平分量,在示波器屏幕上绘出坐标图,就是输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽的频率,例如30Hz-30GHz,与外部混频器配合,可扩展到100GHz以上,频谱分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一。无论测量连续信号或调制信号
11、,频谱分析仪都是很理想的测量工具。但是,传统的频谱分析仪也有明显的缺点,它只能测量频率的幅度,缺少相位信息,因此属于标量仪器而不是矢量仪器。基于快速傅里叶变换(FFT)的现代频谱分析仪，通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量，达到与传统频谱分析仪同样的结果。这种新型的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。在这种频谱分析仪中，为获得良好的仪器线性度和高分辨率，对信号进行数据采集时 ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍，亦即频率上限是100MHz的实时频谱分析仪需要ADC有200MS/S的取样率。目前半导体工艺水平可制成
12、分辨率8位和取样率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取样率800MS/S的ADC，亦即，原理上仪器可达到2GHz的带宽，为了扩展频率上限，可在ADC前端增加下变频器，本振采用数字调谐振荡器。这种混合式的频谱分析仪可扩展到几GHz以下的频段使用。 FFT的性能用取样点数和取样率来表征，例如用100KS/S的取样率对输入信号取样1024点，则最高输入频率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取样点数为2048点，则分辨率提高到25Hz。由此可知，最高输人频率取决于取样率，分辨率取决于取样点数。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，
13、或者相应的数字信号处理器(DSP)芯片。例如，10MHz输入频率的1024点的运算时间80s，而10KHz的1024点的运算时间变为64ms，1KHz的1024点的运算时间增加至640ms。当运算时间超过200ms时，屏幕的反应变慢，不适于眼睛的观察,补救办法是减少取样点数，使运算时间降低至200ms以下。1.2 总体设计方案比较 方案一：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
14、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。其缺点是频率越高，对ADC和DSP芯片的速度要求越高，相应价格也越昂贵。 方案二：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。 方案三：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
15、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，但获得测量结果要花费较长的时间。根据实际条件和成本上的考虑，在满足题目要求的前提下，我们选择方案三来实现频谱分析仪的总体设计。1.3 底层电路方案比较与选择底层电路方案设计包括本机振荡模块，混频模块，扫频模块，滤波模块和检波模块方案设计。1.3.1本机振荡电路 方案一：采用DDS 信号发生器来产生本征频率。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
