【正文】 .............................................................................................. 20 指標(biāo)測試 ................................................................................................... 20 結(jié) 論 ................................................................................................................................. 23 致 謝 ................................................................................................................................. 24 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................... 25 附 錄 ................................................................................................................................. 26 簡易頻譜分析儀的設(shè)計(jì) 1 1 緒 論 頻 譜分析儀 的 簡介 頻譜分析儀是對無線電信號進(jìn)行測量的必備手段，是從事電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的常用工具 ，在各種振動 、 噪聲 、 電聲 、 發(fā)動機(jī) 、 建筑 、 生物 、 醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也起著重要作用 。因此， 頻譜分析儀的 應(yīng)用十分廣泛，被稱為工程師的射頻萬用表 。 頻譜儀被譽(yù)為射頻領(lǐng)域的示波器，現(xiàn)代頻譜儀不僅具有傳統(tǒng)的頻譜分析功能，而且通過擴(kuò)展選件，可以集成功率計(jì)、頻率計(jì)、標(biāo)量 /矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號分析、通信測試儀等眾多儀器的主要功能，堪稱射頻測試的集大成者，擁有一臺高性能頻譜儀，即可完成大部分射頻測試、信號分析功能?，F(xiàn)代實(shí)時(shí)頻譜儀的 出現(xiàn)，進(jìn) 一步將頻譜儀的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到快速變化的瞬態(tài)信號測試、 實(shí)時(shí)帶寬信號分析中。 傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機(jī) ,輸入信號經(jīng)變頻器變頻后由低通濾器輸出 ,濾波輸出作為垂直分量 ,頻率作為水平分量 ,在示波器屏幕上繪出坐標(biāo)圖 ,就是輸入信號的頻譜圖。 由于變頻器可以達(dá)到 很寬的頻率 ,例如 30Hz30GHz,與外部混頻器配合 ,可擴(kuò)展到 100GHz 以上 ,頻譜分析儀是 頻率覆蓋 最寬的測量儀器之一。無論 測量連續(xù)信號或調(diào)制信號 ,頻譜分析儀都是很理想的測量工具。但是 ,傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點(diǎn) ,它只能測量頻率的幅度 ,缺少相位信息 ,因此屬于標(biāo)量儀器而不是矢量儀器。 基于 快速傅里葉變換 (FFT)的現(xiàn)代頻譜分析儀 ， 通過傅里葉運(yùn)算將被測信號分解成分立的頻率分量 ， 達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果 。 這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)對輸入信號取樣 ， 再經(jīng) FFT 處理后獲得頻譜分布圖 。 在這種頻 譜分析儀中 ， 為獲得良好的儀器線性度和高分辨率 ， 對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí) ADC 的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍 ， 亦即頻率上限是 100MHz 的實(shí)時(shí)頻譜分析儀需要 ADC 有 200MS/S 的取樣率 。 目前半導(dǎo)體工藝水平可制成分辨率 8 位和取樣率4GS/S的 ADC或者分辨率 12位和取樣率 800MS/S的 ADC， 亦即 ， 原理 上儀器可達(dá)到 2GHz的帶寬，為了擴(kuò)展頻率上限 ， 可在 ADC 前端增加下變頻器 ， 本振采用 數(shù)字調(diào)諧 振蕩器。這種混合式的頻譜分析儀可擴(kuò)展到幾 GHz 以下的頻段使用 。 FFT 的性能用取樣點(diǎn)數(shù)和取樣率來表征 ， 例如用 100KS/S 的取樣率對輸入信號取樣1024 點(diǎn) ， 則最高輸入頻率是 50KHz 和分辨率是 50Hz。 如果取樣點(diǎn)數(shù)為 2048 點(diǎn) ， 則分辨率提高到 25Hz。由此可知 ， 最高輸人頻率取決于取樣率 ， 分辨率取決于取樣點(diǎn)數(shù)。 FFT 運(yùn)算時(shí)間與取樣 ， 點(diǎn)數(shù)成對數(shù)關(guān)系 ， 頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運(yùn)算時(shí) ， 要選用高速 的 FFT 硬件 ， 或者相應(yīng)的 數(shù)字信號處理器 (DSP)芯片。例如 ， 10MHz 輸入頻率的1024 點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間 80μs， 而 10KHz的 1024 點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間變?yōu)?64ms， 1KHz的 1024 點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間增加至 640ms。當(dāng)運(yùn)算時(shí)間超過 200ms 時(shí) ， 屏幕的反應(yīng)變慢 ， 不適于眼睛的觀察 ,補(bǔ)救辦法是減少取樣點(diǎn)數(shù) ， 使運(yùn)算時(shí)間 降低至 200ms 以下。 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 總體設(shè)計(jì)方案比較 方案一： FFT 法。這種頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)對輸入信號取樣 ,再經(jīng) FFT 處理后獲得頻譜分布圖。它的頻率范圍受到 ADC 采集速率和 FFT 運(yùn)算速度的限制。為獲得良好的儀器線性度和高分辨率， ADC 的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍。 FFT 運(yùn)算時(shí)間與取樣點(diǎn)數(shù)成對數(shù)關(guān)系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運(yùn)算時(shí)，要選用高速的 FFT 硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號處理器 (DSP)芯片?？梢娺@種方法的優(yōu)點(diǎn)是硬件電路簡單，主要依靠軟件運(yùn)算，可 以提高分辨率。 其 缺點(diǎn)是頻率越高，對 ADC 和 DSP 芯片的速度要求越高，相應(yīng)價(jià)格也越昂貴。 方案二： 分段 FFT。這種方法將輸入信號分段，逐段進(jìn)行 FFT 的處理，這樣分段取樣降低了對 ADC 和 FFT 硬件的速度要求，又可以在相對窄的頻段內(nèi)得到更高的頻譜分辨率。但是這種方法在軟件和硬件的設(shè)計(jì)和測試上顯然要復(fù)雜很多，尤其是在 1M30MHz如此寬的頻段范圍內(nèi)。 方案三： 掃頻法。這種頻譜分析儀采用外差原理，由本機(jī)振蕩器產(chǎn)生一定步進(jìn)頻率的信號與輸入信號相乘，然后由適當(dāng)?shù)臑V波器將差頻分量濾出以代表相應(yīng)頻點(diǎn)的幅度。 本機(jī)振蕩信號可以達(dá)到很寬的頻率，與外部混頻器配合，可擴(kuò)展到很高頻率。這種方法的突出優(yōu)點(diǎn)是掃頻范圍大，硬件成本低廉，但這種方法對硬件電路要求較高，各模塊性能都需要精心設(shè)計(jì)，且連接在一起整體調(diào)試時(shí)有一定難度。而且它只適于測量穩(wěn)態(tài)信號的頻率幅度，但 獲得測量結(jié)果要花費(fèi)較長的時(shí)間。 根 據(jù)實(shí)際條件和成本上的考慮，在滿足題目要求的前提下，我們選擇方案 三 來 實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀 的總體設(shè)計(jì) 。 底層電路方案比較與選擇 底層電路方案設(shè)計(jì)包括本機(jī)振蕩模塊，混頻模塊，掃頻模塊，濾波模塊和檢波模塊方案設(shè)計(jì)。 本機(jī)振蕩 電路 方案一：采用 DDS 信號發(fā)生器來產(chǎn)生本征頻率。其實(shí)現(xiàn)方法是：利用單片機(jī)波表到FPGA 的 RAM 中，然后將波表數(shù)據(jù)輸出到 D/A 中，通過 D/A 轉(zhuǎn)換而得到。該方法實(shí)現(xiàn)簡單，只需要一片 DA 芯片就可以了，但由于此方法只能產(chǎn)生頻率較低的正弦波，對題目中所要求的 1MHz30MHz頻率范圍的正弦波產(chǎn)生比較困難，因此舍棄該方法。 方案二：采用鎖相環(huán)的頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)通過改變程序分頻器的分頻比可以獲得頻率穩(wěn)定度等同與晶振的輸出信號，基于鎖相環(huán)的窄帶跟蹤特性，可以較好的選擇所需頻率信號，抑制雜散分量。但由于鎖 相環(huán)本身是個(gè)惰性環(huán)節(jié)，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長，同時(shí)受 VCO 可變頻率范圍的影響，頻帶不能做的很寬。 方案三：采用 AD9850 來產(chǎn)生本征頻率正弦波。 AD9850 是 AD 公司最新推出的采用先進(jìn) CMOS 技術(shù)生產(chǎn)的具有高集成度的直接數(shù)字合成器，內(nèi)置 32 位頻率累加器、 10bit 高速 DAC、高速比較器和可軟件選通的時(shí)鐘 6 倍頻電路。外接參考頻率源時(shí)， AD9850 可以簡易頻譜分析儀的設(shè)計(jì) 3 產(chǎn)生頻譜純凈、頻率和相位都可控且穩(wěn)定度非常高的正弦波，可以直接作為信號源。 由于要產(chǎn)生的正弦波信號要穩(wěn)定度高、相位穩(wěn)定、頻帶較寬，且目前有可用的 AD9850模塊可用，因此采用方案三。 混頻電路 方案一：采用三極管電路實(shí)現(xiàn)信號的混頻。由于在該方案中用到了分立元件三極管，電路中容易產(chǎn)生非線性失真，同時(shí)，相對于數(shù)字電路來說，該電路性能也不是很穩(wěn)定。 方案二：采用模擬乘法器芯片 AD835 實(shí)現(xiàn)信號的混頻。 AD835 是電壓輸出的模擬乘法器，其基本功能是實(shí)現(xiàn) W=XY+Z。該乘法器芯片可以實(shí)現(xiàn) 250MHz 范圍內(nèi)信號的混頻。 根據(jù)以上的分析可知，由 AD835 實(shí)現(xiàn)的混頻器電路性能要優(yōu)于采用三極管實(shí)現(xiàn)的混頻器電路，因此，采用方案二實(shí)現(xiàn)電路。 濾波電路 方案一：直接采用 RC 電路實(shí)現(xiàn)窄帶濾波器功能。即直接將 R 和 C 接成低通加高通或帶通的形式。由于窄帶濾波器的帶寬非常窄，且頻率范圍非常高，因此要實(shí)現(xiàn)電路的功能，電路的階數(shù)要很高，電路相對比較繁瑣。 方案二：采用運(yùn)放加分立元件組成的有源濾波電路或者單片集成濾波器。這類濾波器僅適用于低頻范圍，且 Q 值不高，帶外衰減很小。 方案三：采用聲表面濾波器。這種濾波器工作頻率和相對帶寬都較寬，但是其帶內(nèi)衰減比較大，一般不低于 15dB，市場上也難于購買。 方案四：采用 MAX297 8 階圓型（ Elliptic）濾波器 ， 它的滾降速度快，從通頻帶到阻帶的過渡帶可以 做的 很窄。在橢圓型濾波器中，第一個(gè)傳輸零點(diǎn)后輸 出將隨頻率的變高而增大，直到第二個(gè)零點(diǎn)處。這樣重復(fù)就 會 使 頻 率響應(yīng) 呈現(xiàn)波浪形，阻帶從 fS 算起，高于頻率 fS 處的增益不會超過 fS 處的增益。在橢圓型濾波中，通頻帶內(nèi)的增益存在一定范圍的波動。橢圓型濾波器的一個(gè)重要參數(shù)就是過渡比。過渡比定義為阻帶頻率 fS 與拐角頻率（有時(shí)也等同為截止頻率）由時(shí)鐘頻率確定。時(shí)鐘既可以是外接的時(shí)鐘，也可以是自己的內(nèi)部時(shí)鐘。使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)只需外接一個(gè)定時(shí)用的電容既可。 綜上所訴，本設(shè)計(jì)采用 方案四即 橢圓 濾波器作為濾波電路。 檢波電路 方案一：利用二極管和電容即可構(gòu)成一個(gè)簡單的檢測電路。這種方法在輸入信號幅度比較大的情況下，輸入電壓峰 — 峰值和輸出電壓呈線性關(guān)系，但若輸入信號幅度較小則變成非線性關(guān)系，測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。 方案二：利用二極管和運(yùn)放構(gòu)成檢波電路來測量電壓峰峰值。由于運(yùn)放的存在，該方法很難在高頻環(huán)境下使用。 方案三： 為了 提高檢波精度，選擇 MX636 作為檢波電路，它的外圍電路只有一個(gè)電容值這個(gè)電容的選擇很重要，它決定了檢波的精度和穩(wěn)定時(shí)間。大電容檢測精度高，放電時(shí)間長；小電容會加大檢波電路的 輸出電壓的波紋，是檢測精度下降。為了平衡 DDS 的沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 掃頻速度和數(shù)據(jù)采集精度的問題，我們選擇了 ，經(jīng)過檢測 的效果 比較理想。 綜上所述 并考慮到實(shí)際情況 ， 故 本系統(tǒng)采用方案三。 掃頻發(fā)生器電路 方案一：采用 FPGA 為核心的直接數(shù)字合成技術(shù)?？紤]到所需最高頻率 ，導(dǎo)致對后級 D/A 芯片的速度有很高要求，這樣芯片很難購得。 方案二：采用 SPCE061A 單片機(jī)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，使用方便，使用價(jià)值高。 綜上所述，本系統(tǒng)采用方案二。 本課題研究的意義 從事通信工程的技術(shù)人員，在 很多時(shí)候需要對信號進(jìn)行分析，針對不同觀察域，分別用示波器、頻譜分析儀和矢量分析儀觀察信號 。示波器只能觀察信號的幅度、周期和頻率；但頻譜分析儀還可以分析信號的頻率分布信息、頻率、功率、諧波、雜波、噪聲、干擾和失真，而矢量分析儀可以在頻譜分析儀基礎(chǔ)上分析數(shù)字調(diào)制信號調(diào)制質(zhì)量。早期的信號觀察，主要依賴示波器在時(shí)域內(nèi)觀察信號；傅立葉變換告訴我們：任何時(shí)域內(nèi)電信號都是由一個(gè)或多個(gè)不同頻率、不同幅度和不同相位的正弦波組成的，但應(yīng)用示波器無法觀察到頻域內(nèi)信息，只能在時(shí)域內(nèi)觀察；應(yīng)用頻域測量，就能以頻譜的形式顯示出每個(gè)正弦 波的幅度隨頻率變化的情況。 本文 采用外差原理設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀。利用 DDS 芯片生成 10KHZ步進(jìn)的本機(jī)振蕩器， AD835 做混頻器，通過濾波器取出各個(gè)頻點(diǎn)（相隔 10KHZ）的值，再配合放大，檢波電路收集采樣值，經(jīng)凌陽單片機(jī) SPCE061A 處理，最后送示波器顯示頻譜。測量頻率范圍覆蓋 1—30MHZ，可根據(jù)用戶需要設(shè)定顯示頻譜的中心頻率和帶寬，還可以識別調(diào)幅，調(diào)頻和等幅波信號。 本課題設(shè)計(jì)思路 本文以 簡易的頻譜分析儀 為研究內(nèi)容，對國內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)的了解后，結(jié)合自己所學(xué)知識，以 SPCE061Ａ 為內(nèi)核 ， 搭 建一個(gè) 簡易的頻譜分析儀 。這 個(gè)頻譜分析儀 測量頻率范圍覆蓋 1—30MHZ，可根據(jù)用戶需要設(shè)定顯示頻譜的中心頻率和帶寬，還可以識別調(diào)幅，調(diào)頻和等幅波信號。 在設(shè)計(jì)研制過程中主要解決以下幾個(gè)問題： (1)混頻器的設(shè)計(jì)： 混頻器 AD835 可以實(shí)現(xiàn) 250MHZ 帶寬內(nèi)的混頻，這對于我們的實(shí)驗(yàn)完全滿足要求。而且其輸出幅度在不同頻率值時(shí)相對穩(wěn)定，外圍電路也相對簡單，不需要進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)零調(diào)試。 AD835 對小信號的處理精度較高，不易輸出新的頻率分量，所以我們利用