3763.简易频谱分析仪

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1、简易频谱分析仪[2005年电子大赛一等奖]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

2、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

3、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，

4、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

5、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AD9850DDS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

6、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

7、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

8、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