頻譜分析儀模擬式

1、2011年電子設計競賽暑期培訓試題頻譜分析儀（儀器儀表類）作者：輔導教師：摘 要本系統(tǒng)是采用外差式原理設計并實現(xiàn)的頻譜分析儀。系統(tǒng)實現(xiàn)功能為在輸入信號幅值為時對其頻率測量范圍為1020MHz的信號進行頻譜分析，信號經(jīng)前置放大器AD603處理，與利用DDS芯片（AD9850）信號合成技術和倍頻來獲得10KHz步進的掃頻信號相乘，用AD835做混頻器，通過濾波器取出各個頻點的值，再進行放大、有效值轉(zhuǎn)換、AD采樣送至ATmega16單片機處理并由LCD320*240的大顯示頻譜圖及其相關參數(shù)。關鍵字：頻譜分析儀 混頻 DDS 濾波 有效值轉(zhuǎn)換1.系統(tǒng)方案選擇和論證1.1 方案論證與選擇方案一：快速傅

2、里葉變換（FFT）。這種頻譜分析儀采用數(shù)字方案直接由模數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入信號采樣，再經(jīng)過FFT變換處理后獲得頻譜分布圖。它的頻率范圍受到ADC采樣速率的FFT的運算速度的限制。為獲得良好的一起線性度和分辨率，ADC的采樣速率至少為輸入信號的兩倍。對FFT運算器件也有很高的要求，一般采用數(shù)字信號處理器件（DSP）。這種方法的優(yōu)點是硬件電路簡潔，主要依靠軟件運算，可以提高分辨率，但是高速AD和高速FFT運算器件，價格昂貴。方案二：掃頻法。這種頻譜分析儀采用外差原理，由本機振蕩器產(chǎn)生一定步進頻率的掃頻信號與輸入信號相乘，然后由適當?shù)臑V波器將差頻分量濾出以代表相應頻點的幅度。這種方法的特點是掃頻范圍大，較

3、數(shù)字方法成本較低廉，但是這種方法對硬件電路要求高，各個模塊的性能需要精心設計，整體調(diào)試難度大。根據(jù)現(xiàn)有的水平的成本上考慮，我們采用方案二實現(xiàn)頻譜分析儀的設計。1.2系統(tǒng)基本方案系統(tǒng)設計基本框圖如圖1所示：DDS放大混頻濾波、放大有效值檢測數(shù)字處理(ATmega16單片機)AD采樣LCD顯示輸入信號圖1 系統(tǒng)設計基本框圖1.3各模塊方案選擇與論證（1）前置放大器基于對前置放大器增益帶寬積的考慮：因為輸入信號頻率為10MHz20MHz，峰峰值為，而混頻器的輸入要求信號峰峰值為1V，故需要前置放大器將輸入信號放大2934dB。經(jīng)過對不同型號的帶寬放大器分析比較，選擇AD公司的可變增益帶寬放大器AD6

4、03作為前置放大器：當其帶寬取040MHz時，增益在040dB間可調(diào)，滿足題目要求。（2）混頻電路混頻電路采用以乘法器AD835為主要器件的電路構(gòu)成，AD835可以實現(xiàn)250MHz帶寬內(nèi)的混頻，這能夠完全滿足題目的要求，而且其輸出幅度在不同頻率時幅度相對穩(wěn)定，外圍電路相對比較簡單，不需要進行復雜的調(diào)試，只需要對Z輸入的直流信號進行相對調(diào)制即可。（3）本振電路 采用直接數(shù)字合成器件AD9850，AD9850穩(wěn)定度高，輸出頻率精確，內(nèi)部包含輸入寄存器、數(shù)據(jù)存儲器、數(shù)字合成器（DDS）、10位高速DA轉(zhuǎn)換器和高速比較器，在外接125MHz晶振是最大輸出信號70MHz的正弦信號。本題妖氣的輸入信號頻率

5、為10MHz-20MHz，AD9850產(chǎn)生的信號能夠滿足掃頻信號的頻率（10MHz-20MHz）要求。AD9850直接通過單片機控制，產(chǎn)生范圍頻率為9.995MHz20.005MHz、步進為10kHz的掃頻信號。（4）濾波電路1.本設計要求的頻譜分辨率為10KHz，所以每個掃描點的間隔為10KHz。以此為頻率中心點，左右各5KHz范圍內(nèi)為有效值，所以每個濾波器需要5KHz的帶寬。MAX297為8階開關電容濾波器，可以實現(xiàn)截止頻率為0.150KHz的可調(diào)，能夠滿足題目要求。2.掃頻信號的濾波，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)對本系統(tǒng)有影響的噪聲有DDS輸出信號中的噪聲，因此在掃頻信號后面加以濾波器截止頻率為30MH

6、z。（5）有效值檢測 有效值檢測采樣高精度的有效值檢測器件AD637，先將峰值轉(zhuǎn)換為有效值，再進行采樣。AD637的誤差為0.5mV+0.1% 讀數(shù)，在電源供電條件下最大輸入信號可達4V，能夠滿足本題的要求。（6）控制電路為減少系統(tǒng)的復雜程度和可靠性，我們采用ATmega16單片機作為控制電路，它內(nèi)部自帶AD，速度快。（7）顯示電路 由于設計方案中需要顯示信號的頻譜，所以用LCD320*240大屏作顯示。2.系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)2.1系統(tǒng)的硬件組成部分本振電路掃頻信號部分采用專用DDS芯片AD9850。AD9850輸出頻率的計算公式為其中為32位控制字，=125MHz。由于，故其輸出頻率范圍，本設

7、計考慮到高頻噪聲，在掃頻信號后面加以截止頻率為30MHz的低通濾波器，故最終AD9850輸出頻率范圍為原理圖如圖2所示：圖2 AD9850電路2.1.2 前級放大電路根據(jù)前面對題目的分析以及受運算放大器的帶寬限制，決定采用兩級放大電路對輸入信號進行放大，使其達到預定的要求。第一級放大電路采用300MHz帶寬的運放AD8011對輸入信號進行放大，放大10倍。第二級采用可控增益放大器AD603進行放大，放大5倍。題目要求系統(tǒng)的輸入阻抗為50歐姆，根據(jù)要求設計的具體電路如圖3所示：圖3 前級放大電路由圖可知：其中為運放的輸入電阻一般為, 、為平衡電阻。通過調(diào)節(jié)電位器是為10倍，為5倍，這樣兩級一共放

8、大即34dB。2.1.3 混頻電路混頻電路采用的是以AD835為核心器件而搭建的電路，AD835最高工作頻譜為250MHz，外圍電路簡單，可靠性高。具體電路如圖4所示：圖4 混頻電路輸出信號其中。將掃頻信號加在8腳端，輸入信號加在1腳端，而且輸入信號的幅值不宜過大，需要控制在-1+1V直接。為了能使AD835能夠更好的工作，在正負電源兩端加電容去耦，同時加0歐姆電阻，防止高頻信號干擾。圖中有Z=X2=Y2=0；設輸入信號Y1為，掃頻信號X1為，則輸出信號一般希望得到一個中頻信號，通常采用帶通濾波器取出所需要的邊帶，即可得到中頻電壓對于本系統(tǒng)而言，希望得到的中頻信號頻率為10K。2.1.4 濾波

9、電路題目要求頻譜的分辨率為10KHz，所以每個掃描點的間隔為10KHz，一次頻率點為中心，左右各5KHz范圍內(nèi)位有效值，所以濾波器需要5KHz的帶寬。MAX297是一個8階低通橢圓型快關電容濾波器，采用輸入時鐘頻率控制輸出截止頻率的方法實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號的濾波。MAX297的截止頻率和時鐘的比為，由截止頻率為5KHz以及，可得實際取。經(jīng)測試器截止頻率為5.6KHz。設計的電路如圖所示5。圖5 低通濾波電路2.1.5 有效值檢測電路 有效值檢測電路時采用AD637為主要器件所搭建的電路，其典型接法如圖6所示。圖6 有效值檢測電路AD637轉(zhuǎn)換建立時間，轉(zhuǎn)換出信號紋波，轉(zhuǎn)換出信號的直流誤差，對

10、于轉(zhuǎn)換要求是建立時間短，紋波小，誤差小，最終考慮取，即。2.1.5 控制、顯示電路控制電路選擇C8051f120單片機作為主控器件，其最小系統(tǒng)如附錄所示。顯示電路使用LCD800*600液晶屏作為顯示界面，通過單片機控制顯示內(nèi)容。3.軟件設計控制DDS產(chǎn)生掃頻信號，DDS每輸出一個頻率與輸入信號進行相乘，將相乘的結(jié)果用濾波器取出，處理，經(jīng)AD采樣送至單片機。系統(tǒng)軟件流程如下：開始初始化系統(tǒng)、AD9850串口模式復位DDS掃頻（5KHz步進）ADC讀取頻譜大屏顯示標定頻率帶寬圖7 系統(tǒng)軟件流程圖4.系統(tǒng)測試4.1測試條件和測試儀器設備系統(tǒng)容易受到溫度、高頻信號和強磁場的干擾，測試時必須在室溫、無

11、高頻信號源及無強磁場干擾的條件下進行，并要確保供電電源的穩(wěn)定性，測試儀器設備如下表1所示。表1 測試使用的儀器設備序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注出廠編號1Tektronix示波器1TektronixC0390702函數(shù)信號發(fā)生器 EE164281南京新聯(lián)電子設備有限公司0013983數(shù)字萬用表 UT58E1UNI-T30500306334.2測試方法和結(jié)果（1）頻譜測試測試方法：用高頻信號源輸出信號信號幅值為，頻率在1MHz20MHz范圍內(nèi)任意頻率，將信號接入頻譜儀，然后簡易頻譜儀對信號進行標定見下表：表2：頻譜標定帶寬數(shù)據(jù)表序號帶寬/MHz序號帶寬/MHz10.9952.245910.9951

12、2.24522.2453.4951012.24513.49533.4954.7451113.49514.74544.7455.9951214.74515.99555.9957.24511315.99517.24567.2458.4951417.24518.49578.4959.7451518.49519.74589.74510.9951619.74520.995觀察大屏，測試結(jié)果如表3所示。表3：頻譜測試數(shù)據(jù)表輸入信號頻率（MHz）輸入信號幅值（mV）實測信號頻率（MHz）誤差1.068.21.020.20%3.068.23.010.33%5.068.25.030.60%7.068.27.04

13、0.57%9.068.29.030.33%11.068.211.040.36%13.068.213.050.38%15.068.215.050.33%17.068.217.060.35%19.068.219.070.36%20.068.220.070.35%5.結(jié)論這個題目感覺比較難，之前一直沒有徹底搞通原理，就按照現(xiàn)成的方案制作各個模塊，在調(diào)前置放大器AD811時也遇到了問題，發(fā)現(xiàn)放大增益不好控制。現(xiàn)在改用AD603。在各個模塊調(diào)試好后，在一起聯(lián)調(diào)時，又不能工作了，后來發(fā)現(xiàn)濾波電路也存在問題，又改用兩級濾波，這時又出現(xiàn)有效值處理后的幅值太小。經(jīng)過兩級反向放大后，終于出來正常的頻譜了！經(jīng)過三天

14、的努力，雖然整個系統(tǒng)仍有許多不足之處，但我們基本上完成了題目要求的基本部分和發(fā)揮部分，而且分辨率5K帶寬還超出了題目的要求。能在液晶上顯示操作提示等，提供了較好的人機界面。限于時間短暫，顯示平均噪聲電平功能和指標沒有時間實現(xiàn)。參考文獻：1謝自美電子線路設計實驗測試武漢：華中科技大學出版社，20062譚浩強C語言程序設計（第三版）北京：清華大學出版社，20083高吉祥全國大學生電子設計競賽培訓系列教程北京：電子工業(yè)出版社，20074黃智偉全國大學生電子設計系統(tǒng)設計北京：北京航空航天大學出版社，20065張洪潤,張亞凡單片機原理及應用北京:清華大學出版社2005.6趙亮，侯國銳. 單片機C語言編程

15、與實例,北京:人民郵電出版社2003.7康華光電子技術基礎（模擬部分）北京：高等教育出版社，2006附錄：附件1 ：系統(tǒng)主程序/*/*工程說明：控制DDS掃頻信號，與模擬硬件電路進行共振產(chǎn)生混頻信號，AD進行實時采樣 通過320_240顯示對應頻譜波形*/*編寫時間：2011-08-09*/*/#include <iom16v.h>#include <macros.h>#include <math.h>#include "320_240.h"#include "ADC.h"#include "DDS.h&qu

16、ot;#define Uint unsigned int#define Uchar unsigned char#define key0 PINC4#define key1 PINC5#pragma interrupt_handler TIME_0_PIPEI:20/定時器0比較匹配中斷序號Uchar flag;/標志位Uint admax,admin,adpp;/最大值，最小值，峰峰值;Uint xx,yy; /用來顯示坐標的參數(shù) Uint a0,a1;double v0;/AD采樣變量unsigned long int freq,freq1;unsigned int getdata250;

17、/存儲采樣點數(shù)/extern flag_AD;/void Delay_ms(Uint z);void delay_us(unsigned int tt);void jiemian(void); /界面靜態(tài)顯示void sao_pin(void);void display_Xzuobiao(); /顯示頻率void display_Yzuobiao(); /顯示幅值void timer0();void display_Fdds(void); /顯示DDS頻率/void main(void) float a,b;Uint i,j; freq1=995000; /0.995MHzxx=0;yy=0;

18、 /xx,yy賦初值/admax=65535;admin=0;DDRB|=BIT(0)|BIT(1)|BIT(2)|BIT(3); /DDS的控制及數(shù)據(jù)口DDRC&=BIT(4);PORTC|=BIT(4);TCCR0=0x04;/1024分頻設置TCNT0=0x00;/寄存器初始值設置OCR0=0xff;/比較匹配值的設置(但是最大不能超過0xff,因為T/C0是8位定時器)TIMSK|=BIT(OCIE0);/開啟T/C0輸出比較匹配中斷使能SREG|=BIT(7);/開啟總中斷允許位ad9850_reset_serial(); Delay_ms(50); LcmInition()

19、; /液晶屏初始化LcmClear();/清屏jiemian(); /界面靜態(tài)顯示 while(1) if(PINC & (1<<key0)=0)/在下降沿 邊沿觸發(fā) Delay_ms(50);while(PINC & (1<<key0)=0); freq1=freq1+1250000;freq=freq1-1250000;if(freq1=20005000) freq1=995000;/*/ad9850_wr_serial(0x00,freq);/freq=freq+5000;getdataxx=mega16_ad0();/Delay_ms(30);/

20、xx+;Linexy(xx,190-getdataxx*0.04884,xx,190-getdataxx+1*0.04884,1,2);/Delay_ms(10);/display_Yzuobiao(getdataxx);/*if(freq=freq1) freq=9995000; if(xx = 249) xx = 0;/Delay_ms (30);LcmClear2 ();/用來清除已顯示的波形*/display_Yzuobiao();display_Fdds(); /顯示DDS頻率 /* ad9850_wr_serial(0x00,3000); if(xx<999 &&am

21、p; yy<999) xx+;yy+; display_Xzuobiao(xx); display_Yzuobiao(yy); Delay_ms(100); ad9850_wr_serial(0x00,freq); Delay_ms(10); freq=freq+10000; if(freq=20005000) freq=9995000; */ void TIME_0_PIPEI() ad9850_wr_serial(0x00,freq); freq=freq+5000;xx+;if(xx=249) freq=freq1-1250000;xx = 0;/Delay_ms (30);Lcm

22、Clear2 ();/用來清除已顯示的波形/*if(xx = 249) xx = 0;/Delay_ms (30);LcmClear2 ();/用來清除已顯示的波形*/TCNT0=0x00;/寄存器初始值重新設置 void Delay_ms(Uint z) Uint x,y; for(x=0;x<z;x+) for(y=0;y<1141;y+);void delay_us(unsigned int tt) while(tt-);void jiemian(void) /界面靜態(tài)顯示 Uint x,y; Linexy(0,0,252, 0,1,1); Linexy(0,239, 252

23、, 239,1,1);Linexy(0,240, 253, 240,1,1); Linexy(0,0, 0, 240,1,1); Linexy(252, 1, 252, 239,1,1);Linexy(253, 0, 253, 240,1,1);for(y=0;y<240;y=y+30)/畫8條橫線 Linexy(0, y, 253, y, 1,1); for(x=0;x<250;x=x+25)/畫10條豎點線Linexy(x, 0, x, 239, 1,1); circle(314,5,5,8,1);/8畫圓 0擦圓circle(314,234,5,8,1);/PutWordInGraph_zuo();Put