简易频谱分析仪
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.html">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，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AD9850 DDS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阶开关电容滤波器，可以实现截止频率0.1～50KHz的可调，很容易满足题目的要求。其带内增益平坦，带外衰减速度很快。
MAX297的1管脚的clk信号可以外接一个电容实现截止频率的选择：
这样可以根据MAX297的截止频率和clk的比值为1:50的关系确定截止频率fc，经过实际测试选择120 pF可以实现5KHz的截止频率，满足题目的频谱分辨率要求。如图2.5所示。
图2.5 由MAX297所组成的截止频率为5KHz的LPF
（5）检波电路
如图2.1，为了提高检波精度，我们选择了MX636作为检波电路，其电路原理图如图2.6，它的外围电路只有一个电容。这个电容的选择很重要，它决定了检波的精度和稳定时间。大电容检测精度高，放电时间长；小电容会加大检波电路的输出电压的波纹，使检测精度下降。为了平衡DDS的扫描速度和数据采集精度的问题，我们选择了0.1uF的电容，经过测试效果比较理想。
图2.6 MX636检波电路原理图
（6）电源管理及保护
由于本系统各模块对电源的要求不一致，若各种电源值都由外部分别提供，则电源接口会显得很复杂，所以在电源设计上，本方案使用了各种稳压三极管。外部只提供正负16伏的电源，+15V用7815分压得到；- 15V用7915分压得到；+5V用7805分压得到；- 5V用7905分压得到。
另外，为了防止用户误将电源反接而损毁系统内部芯片，我们在电源的入口接了一个二极管，负极接正电源，正极接负电源，若电源反接，接口电压会限制在二极管的导通压降0.7V，保证了整个电路安全。如图2.7所示。
图2.7 电源分压及保护电路
（7）键盘及显示电路
本设计中采用普通的4×4键盘，其功能示意图如图2.8。
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
MHz |
频标 显示 |
－ |
Start/ Return |
F1/ Fo |
F2/ W |
图2.8 键盘功能示意图
按键功能说明：
· 0～9和"."为普通数字输入。
· "MHz"为设置频率和带宽的单位。
· "Start/Return"为新输入信号后启动测量和界面切换键。
· "Set Fo"和"Set W"分别为设置中心频率和设置扫描带宽键。
· "频标显示"决定是否显示出频标。
显示模块采用市场上常见的FM1602C液晶显示模块。
液晶屏上会有操作指示，可按响应按键，使得操作简单易懂。
2、软件设计
在软件控制上，由于方案要求产生的10KHz频率步进增加，所以对AD9850频率调制字改变也应是快速的。AD9850调制字（Tuning Words）的装入采用异步串行接口UART，同时兼顾到单片机I/O口的分配和对调制字装入速度的要求，为了加快扫频和扫描速度，将系统时钟改成最大值49MHz，以加快扫频和扫描速度。
另外，由于硬件采集系统无法达到全频段的稳定性，在收集频谱样值后我们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，对全频段扫描结果并记录比较，设计校准曲线，来达到良好的稳定性，弥补硬件频率失真带来的误差，提高频谱测量仪的精度。软件还对数据进行分析，根据频谱特性判别是AM、FM或单频波，计算调制深度或调频系数。
其主程序流程图如图2.9。
图2.9 主程序流程图
三、测试说明
1、测试仪器：
· Tektronix TDS1012 双通道数字示波器 100MHz
· HT-1714C型直流稳压电源
· TFG2030 DDS函数信号发生器 30MHz
· UT56 Multimeter 数字万用表
2、测试过程几组测试数据：
（1）频率范围测试：
测试条件：输入信号有效值20mV。
表3.1 频率范围测试
输入频率 fi /MHz |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
示波器显示电压 /V |
4.2 |
4.2 |
4.2 |
4.2 |
4.4 |
4.0 |
4.0 |
4.0 |
3.8 |
4.0 |
测得输入信号有效值 /mV |
21 |
21 |
21 |
21 |
22 |
20 |
20 |
20 |
19 |
20 |
输入频率 fi /MHz |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
示波器显示电压 /V |
4.0 |
3.8 |
3.8 |
3.8 |
3.8 |
3.8 |
4.0 |
3.8 |
4.0 |
3.8 |
测得输入信号有效值 /mV |
20 |
19 |
19 |
19 |
19 |
19 |
20 |
19 |
20 |
19 |
输入频率 fi /MHz |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
26 |
27 |
28 |
29 |
30 |
示波器显示电压 /V |
3.8 |
3.8 |
3.8 |
3.8 |
3.8 |
4.0 |
4.0 |
3.8 |
3.8 |
4.0 |
测得输入信号有效值 /mV |
19 |
19 |
19 |
19 |
19 |
20 |
20 |
19 |
19 |
20 |
结果：最大误差2mV。
（2）幅度精度测试：(示波器显示幅值和测得相应频点幅度有效值)
表3.2 幅度精度测试
输入幅度有效值 |
Fo=1MHz |
Fo=10MHz |
Fo=20MHz |
Fo=30MHz |
15mV |
3.2V/16mV |
3V /15mV |
3.2V/16mV |
2.6V/13mV |
20mV |
4.1V/20.5mV |
4V/20mV |
4V/20mV |
3.8V/19mV |
25mV |
4.6V/23mV |
4.9V/24.5mV |
5V/25mV |
4.6V/23mV |
结果：在测量范围内，幅度精度较高,误差在2mV以内。
（3）识别调幅，调频，等幅波测试：
① 输入等幅波，可精确扫描到中心频率点。
② 输入调幅波调制度为30%，调制信号频率为20KHz,中心频率Fo=10MHz,载波信号,幅度500mV峰峰值。
结果：三条谱线，中心频率10MHz。两边频率为9.98MHz和10.02MHz，中间幅度/边频幅度约为1/6，可计算出调制度为33%。
③ 输入调频波频偏为20KHz，调制信号频率为1KHz, 中心频率2MHz载波信号,幅度600mV峰峰值。
结果：可以看到中心频率值左右有多条谱线，但幅度不同，可以算出中心频率2MHz。
分析：因为扫频是测量某一瞬态的频谱，对于调频波这种变频信号，不同瞬态的频谱图不一样。频率最大值会在频偏范围内摆动，且每隔1KHz的频谱超过了我们的分辨率，所以我们测得的调频信号频谱不是特别理想。但仍然可以根据谱线分布特征判断出为调频波的中心频率。
四、结论
本设计利用外差原理实现了对信号频谱分析的功能，覆盖了1MHz-30MHz的频谱范围。对电压值的标定采用对比法，能得到很高的测量幅度精度。利用示波器显示频谱值，并可根据使用需要设置中心频率和显示带宽。
应用了集成度较高的芯片作为个功能模块，提高了整个系统的稳定性和精度。在设计中各模块的设计都很重要，只有掌握好各种芯片的性能指标，使每级输入的幅度和频率都适合才能使他们发挥最好的效果，并且要注意各级的级联，否则会影响整个系统的性能。