简易频谱分析仪2011年8月10日.docVIP

简易频谱分析仪 摘要：本次设计制作的简易频谱分析仪是外差原理来实现的，理想情况下，频率测试范围为10～30MHz；频率分辨率为10Hz，输入信号电压有效值为（20±5）mV,输入阻抗为50 ；可设置中心频率和扫频宽度；借助示波器显示被测信号的频谱图。简易频谱分析仪设计方案 根据设计要求，采用外差原理设计并实现简易频谱分析仪。所设计的频谱分析仪系统方框图如图2所示。该简易频谱分析仪以89C52单片机为主控制器，利用DDS芯片构成10KHz步进的本机振荡器；混频电路采用AD835乘法器芯片，通过带通滤波器取出有用信号的各个频点（相隔10KHz）的值，利用有效值检波电路收集采样值，经单片机处理后，最后分别送到示波器的X通道和Y通道显示频谱。测量频率范围覆盖1～30MHz，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 微控制器电路设计 简易频谱分析仪采用89C51单片机作为主控制器，进行信号处理和人机交互控制。89C52单片机具有较高的处理速度。由于该单片机端口的有限性，需要通过8255进行外部端口的扩展来储存扫描所得的频率点幅值。 本机振荡器电路设计 本机振荡电路AD9850 DDS芯片构成。这是一款采用了先进DDS技术的高集成度芯。芯片内部的DDS核与高速、高性能的DAC和比较器组合，能构成一个数字可编程的频率合成器和时钟信号发生器。外接一个精密的时钟源。它能产生一个非常纯净的、频率和相位振幅可编程的正弦波信号输出。正弦波信号可以直接作为一个频率源，或者转化为方波作为时钟发生器。AD9850高速DDS核心可提供32位的频率调谐字，在125MHz的基准时钟输入时，调谐分辨率可达到0.0291Hz。AD9850电路结构允许产生一半基准时钟频率的输出频率（如125MHz/2=62.5MHz），输出频率能以每秒高达23兆次的速度改变（数字控制，异步）。该器件也能提供5位的数字控制相位调制，能产生180°、90°、45°、22.5°、11.25°相移变换。AD9850也包含一个高速的比较器，能接受经过滤波的DAC输出，能产生一个低纹波的方波输出，构成一个时钟信号发生器。 AD9850使用3.3V或5V单电源供电，功耗为380mW@125MHz（5V）或者155mW@110MHz（3.3V）；具有低功耗模式，功耗为10mW（3.3V）或者30mW(5V). AD9850采用SSOP-28封装。AD9850的芯片内部主要由高速DDS、字节控制字、10位DAC、频率/相位数据寄存器、数据输入寄存器、比较器和并行装载等电路组成。 AD9850的输出频率、基准时钟和调节字的关系为 AD9850的频率调谐字、控制字、相位调谐字可通过并行或串行形式装入。 混频器电路的设计 混频器电路采用AD835乘法器专用芯片实现，AD835是一个电压输出四象限乘法器电路，能完成W=XY+Z功能，X和Y输入信号范围为-1V～+1V,带宽为250MHz，在20ns内可稳定到满刻度的0.1%,输出电压为-2.5V～+2.5V，可驱动负载电阻为25欧。电源电压为±5V,电流消耗为25mA。 AD835芯片内部包含有X和Y差分输入放大器，求和器、输出缓冲。放大器等电路，输出电压W为 式中，U为缩放比例系数。，其他参数均为电压。当U=1，Z=0V时，有W=XY。比例系数U可利用引脚端W和Z之间的电阻分压器进行调节。AD835对小信号的乘法精度比较高，不易产生输出新的频率分量。 波电路设计 本设计要求频率分辨率为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。可以搭建一个三阶的低通滤波器，低通滤波器电路图如图3所示。 检波器电路设计 为了提高检波精度，选择真有效值检波电路，在本次设计中我们采用的是AD637构成的有效值检波电路，AD637采用双电源供电，需要外接三个电容即可工作，电容值越大，精度越高，放电时间越长；电容值越小，放电时间越短，检波输出电压的纹波就会增加，会使检波精度下降。 软件设计 由于设计要求产生的10KHz频率步进增加，所以要求本机振荡器电路输出信号频率快速改变，即要求快速改变AD9850频率调谐字。AD9850调谐字的装入采用方式。为加快扫频和扫描速度，将系统时钟改成最大值3MHz。 由于硬件采集系统无法达到全频扫段的稳定性，在采集频谱样值后通过软件对其进行一定的校准处理；根据固定输入信号的幅值，对全频段进行扫描结果并记录比较，设计较准曲线来达到良好的稳定性，弥补硬件频率失真所带来的误差，提高频谱测量仪的精度。简易频谱分析仪的主程序流程图如图4所示。 本设计利用外差原理实现了对信号频谱进行分析的功能，覆盖了1～3MHz的频谱范围。对电压值的标定采用对比法