【正文】 100GHz 以上 ,頻譜分析儀是 頻率覆蓋 最寬的測(cè)量?jī)x器之一。 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(duì)輸入信號(hào)取樣 ， 再經(jīng) FFT 處理后獲得頻譜分布圖 。 FFT 的性能用取樣點(diǎn)數(shù)和取樣率來(lái)表征 ， 例如用 100KS/S 的取樣率對(duì)輸入信號(hào)取樣1024 點(diǎn) ， 則最高輸入頻率是 50KHz 和分辨率是 50Hz。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。它的頻率范圍受到 ADC 采集速率和 FFT 運(yùn)算速度的限制。 其 缺點(diǎn)是頻率越高，對(duì) ADC 和 DSP 芯片的速度要求越高，相應(yīng)價(jià)格也越昂貴。 方案三： 掃頻法。而且它只適于測(cè)量穩(wěn)態(tài)信號(hào)的頻率幅度，但 獲得測(cè)量結(jié)果要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。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(guò) D/A 轉(zhuǎn)換而得到。 方案三：采用 AD9850 來(lái)產(chǎn)生本征頻率正弦波。 混頻電路 方案一：采用三極管電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的混頻。該乘法器芯片可以實(shí)現(xiàn) 250MHz 范圍內(nèi)信號(hào)的混頻。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(duì)比較繁瑣。這種濾波器工作頻率和相對(duì)帶寬都較寬，但是其帶內(nèi)衰減比較大，一般不低于 15dB，市場(chǎng)上也難于購(gòu)買(mǎi)。在橢圓型濾波中，通頻帶內(nèi)的增益存在一定范圍的波動(dòng)。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。 方案二：利用二極管和運(yùn)放構(gòu)成檢波電路來(lái)測(cè)量電壓峰峰值。為了平衡 DDS 的沈陽(yáng)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(wèn)題，我們選擇了 ，經(jīng)過(guò)檢測(cè) 的效果 比較理想。 方案二：采用 SPCE061A 單片機(jī)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，使用方便，使用價(jià)值高。早期的信號(hào)觀察，主要依賴(lài)示波器在時(shí)域內(nèi)觀察信號(hào)；傅立葉變換告訴我們：任何時(shí)域內(nèi)電信號(hào)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(wú)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(cè)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。 本課題設(shè)計(jì)思路 本文以 簡(jiǎn)易的頻譜分析儀 為研究?jī)?nèi)容，對(duì)國(guó)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(shí)，以 SPCE061Ａ 為內(nèi)核 ， 搭 建一個(gè) 簡(jiǎn)易的頻譜分析儀 。 AD835 對(duì)小信號(hào)的處理精度較高，不易輸出新的頻率分量，所以我們利用 AD603 將 DDS 輸出的信號(hào)適當(dāng)衰減，將輸入小信號(hào)適當(dāng)放大，再送 入乘法器，以獲得最好的相乘效果。其帶內(nèi)增益平坦，帶外衰減速度很快。 (4)掃頻發(fā)生器的設(shè)計(jì)： 采用 SPCE061A 單片機(jī)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，使用方便，使用價(jià)值高。 整體結(jié)構(gòu)如圖 所示。 ? 濾波后信號(hào)通過(guò)有效值檢波器 MX636 檢測(cè)其幅值，并將此幅值通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后輸出作為對(duì)應(yīng)頻率的功率。 AD9850是高穩(wěn)定度的直接數(shù)字頻率合成器件，內(nèi)部包含有輸入寄存器 、 數(shù)據(jù)寄存器 、 數(shù)字合成器 、10位高速 D/A轉(zhuǎn)換器和高速比較 器。 在軟件控制上，由于方案要求本振信號(hào)以 10KHZ頻率步進(jìn)增加，所以對(duì) AD9850頻率 \,g調(diào)制字改變也應(yīng)是快速的。每來(lái)一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器便以步長(zhǎng) M遞加。范圍的一個(gè) 相位點(diǎn)。 AD9850 采用 32 位的相位累加器將信號(hào)截?cái)喑?14 位輸入到正弦查詢(xún)表，查詢(xún)表的輸出再被截?cái)喑?10 位后輸入到 DAC ， DAC 再輸出兩個(gè)互補(bǔ)的電流。 AD7755是一個(gè) 24腳芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，從圖中可以看出， AD7755由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ADC和信號(hào)處理電路兩部分組成。 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 正弦波 方波 圖 AD9850組成原理 AD9850采用 CMOS工藝，其功耗在 。在并行裝入方式中，通過(guò) 8 位總線(xiàn) D0 —D7將數(shù)據(jù)輸入到寄存器，在 W CL K 的上升沿裝入 8位數(shù)據(jù)，并把指針指向下一個(gè)輸入寄存器，在重復(fù) 5 次之后再在 FQ UD 上升沿把 40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率 / 相位數(shù)據(jù)寄存器 (更新 DDS 輸出頻率和相位 ) ， 同時(shí)把地址指 針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器。而且其輸出幅度在不同頻率值時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，外圍電路也相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)零調(diào)試，只需要對(duì) Z 輸入的直流信號(hào)進(jìn)行相對(duì)調(diào)整即可。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)乘法器的輸出信號(hào)幅度會(huì)隨信號(hào)頻 率的升高而略有增加，很好彌補(bǔ)了 DDS 集成芯片 AD9805 輸出信號(hào)的幅度隨著頻率的增加而小幅度降低的缺陷。該集成電路可應(yīng)用于射頻自動(dòng)增益放大器 、視頻增益控制、 A/D轉(zhuǎn)換量程擴(kuò)展和信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)。2nA）和開(kāi)環(huán)增益高（對(duì)于OP07A 為 300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得 OP07 特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。 ◆ 3 最大高電源電壓范圍： 177。 ◆ 3 為正向輸入端， 4 接地 。 MAX297為 8階開(kāi)關(guān)電容濾波器，可以實(shí)現(xiàn)截止頻率 — 50KHZ的可調(diào)，很容易滿(mǎn)足題目的要求。 U1M A X 29 7123 4578C LKVOP OU T OP I N OU TV+IN輸入R110k0V15V dc輸出C133pf 圖 由 MAX297所組成的截止頻率為 5KHZ的 LPF (1)MAX297 的 功能 特點(diǎn) MAX293/294/297 為 8 階圓型（ Elliptic）濾波器 ， 它的滾降速度快，從通頻帶到阻帶的過(guò)渡帶可以作得很窄。橢圓型濾波器的一個(gè)重要參數(shù)就是過(guò)渡比。 在 MAX29X 系列濾波器集成電路中，除了濾波器電路外還有一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器。 ◆ 通過(guò)調(diào)整時(shí)鐘，截止頻率的調(diào)整范圍為 ： ～ 25kHz（ MAX291/292/293*294）；～ kHz（ MAX295/296/297）。 ◆ 既可用單 +5V電源供電也可用 177。 (2)MAX297 獨(dú)立運(yùn)算放大器的用法 MAX29X 中都設(shè)計(jì)有一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器，這個(gè)放大器和濾波器的實(shí)現(xiàn)無(wú)直接關(guān)沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 系，用這個(gè)放大器可組成一個(gè)一階和二階濾波器，用于實(shí)現(xiàn) MAX29X 之前的反混疊濾波功能鄞 MAX29X 之后的時(shí)鐘噪聲抑制功能。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。其基本性能如下： ◆ 可以產(chǎn)生正弦波 、 方波 、 三角波 、 鋸齒波等幾種周期信號(hào)； ◆ 可以用鍵盤(pán)編輯生成正弦波 、 方波 、 三角波這三種信號(hào)的線(xiàn)性組合。與 SPCE500A 不同的是，在存儲(chǔ)器資源方面考慮到用戶(hù)的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能， SPCE061A 里只內(nèi)嵌 32K 字的閃存（ FLASH）。?nSP?為核心的 SPCE061A 微控制器是適用于數(shù)字語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟(jì)的選擇。 圖 SPCE061A結(jié)構(gòu)圖 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 (3) SPCE061A 性能 ： ◆ 16 位μ s18?nSP?s18 微處理器；工作電壓： VDD 為 ~(cpu), VDDH 為VDD~(I/O)； ◆ CPU時(shí)鐘： ~ ； ◆ 內(nèi)置 2K 字 SRAM；內(nèi)置 32K 閃存 ROM； ◆ 可編程音頻處理；晶體振蕩器； ◆ 系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下 (時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài) )，耗電小于 2μ s18 ； ◆ 2個(gè) 16位可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 (可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值 )； 2個(gè) 10位 DAC(數(shù) 模轉(zhuǎn)換 )輸出通道； ◆ 32 位通用可編程輸入 /輸出端口； 14 個(gè)中斷源可來(lái)自定時(shí)器 A / B，時(shí)基， 2 個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，鍵喚醒； ◆ 7 通道 10 位電壓模 數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)和單通道聲音模 數(shù)轉(zhuǎn)換器； ◆ 聲音模 數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制 (AGC)功能 ； (4)SPCE061A 系統(tǒng)時(shí)鐘 ： 系統(tǒng)時(shí)鐘的信號(hào)源為 PLL振蕩器。當(dāng)系統(tǒng)被喚醒后最初時(shí)刻的 CPUCLK 頻率亦為 Fosc/8，隨后逐漸被調(diào)整到用戶(hù)設(shè)定的 CPUCLK 頻率。 相比之下， FIQ 中斷的優(yōu)先級(jí)較高而 IRQ 中斷的優(yōu)先級(jí)較低。 A 口既是具有可編程喚醒功能的普通 I/O 口，又可與 ADC 的多路 LINE_IN 輸入共用 (IOA[6~0]與 LINE_IN[1~7]共用； B 口除了具有普通 I/O 口的功能外，在特定的管腳上還可以完成一些特殊的功能。 (7)SPCE061A 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器： SPCE061A 提供了兩個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器： TimerA 和 TimerB。一方面，它會(huì)作為定時(shí)器中斷信號(hào)傳輸給 CPU中斷系統(tǒng)；另一方面，它又會(huì)作為 4 位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的時(shí)鐘源信號(hào)，輸出一個(gè)具有 4 位可調(diào)的脈寬調(diào)制占空比輸出信號(hào) APWMO 或 BPWMO(分別從 IOB8 和 IOB9 輸出 )，用來(lái)控制馬達(dá)或其它一些設(shè)備的速度。同時(shí)， N值將被重新載入定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器并重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。例如，如果時(shí)鐘源 A 為 “1”， TimerA 時(shí)鐘頻率將取決于時(shí)鐘源 B；如果時(shí)鐘源 A 為 “0”，將停止TimerA 的計(jì)數(shù)。實(shí)際上可以把ADC 看作是一個(gè)實(shí)現(xiàn)模 /數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換的編碼器。人機(jī)對(duì)話(huà)部分用 A口組成鍵盤(pán)及數(shù)碼管顯示 (圖中略去未畫(huà) )；沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 信號(hào) 輸出部分用 SPCE06lA 提供的 2 個(gè) 10 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，即 DACl 和 DAC2，以及 外部運(yùn)放電路組成。外部只提供正負(fù) 16 伏的電源， +15V用 7815 分壓得到； 15V用 7915 分壓得到； +5V 用 7805 分壓得到； 5V用 7905 分壓得到。 它是系統(tǒng)軟件最為重要的指標(biāo)之一，該要求有兩層意義：第一是運(yùn)行參數(shù)環(huán)境改變時(shí)，軟件能可靠地運(yùn)行并能給出正確的結(jié)果，即要求軟件具有自適應(yīng)性；第二是在環(huán)境惡劣、干擾嚴(yán)重的情況下，軟件必須保證系統(tǒng)能可靠的運(yùn)行，這對(duì)系統(tǒng)的整體可靠運(yùn)行尤其的重要。近年來(lái)，由于硬件的集成度與速度的提高，配合相應(yīng)的軟件，實(shí)時(shí)性容易滿(mǎn)足要求，特別是對(duì)于匯編語(yǔ)言編制的軟件。如果每個(gè)子程序單獨(dú)運(yùn) 行正確，那么當(dāng)如積木一樣，把它們聯(lián)合起來(lái)的時(shí)候，只要安排恰當(dāng)，一般來(lái)說(shuō)不會(huì)有什么問(wèn)題，當(dāng)然也不排除個(gè)別問(wèn)題的產(chǎn)生，當(dāng)有問(wèn)題的時(shí)候，可以根據(jù)問(wèn)題的種類(lèi)和現(xiàn)象來(lái)判斷出是哪一部分出的問(wèn)題，很容易找出故障所在和原因。 另外，由于硬件采集系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到全頻段的穩(wěn)定性，在收集頻譜樣值后我們通過(guò)軟件對(duì)其進(jìn)行一定的校準(zhǔn)處理：根據(jù)固定輸入信號(hào)的幅值，對(duì)全頻段掃描結(jié)果并記錄比較，設(shè)計(jì)校準(zhǔn)曲線(xiàn)，來(lái)達(dá)到良好的穩(wěn)定性，彌補(bǔ)硬件頻率失真帶來(lái)的誤差，提高頻譜測(cè)量?jī)x的精度。上訴部分為高頻部分，為了避免產(chǎn)生自激，我們將其 焊接的比較緊密并且讓其遠(yuǎn)離電源，防止干擾。 指標(biāo)測(cè)試 指標(biāo)測(cè) 試是很重要的一個(gè)過(guò)程，它決定著 整個(gè)系統(tǒng)是否起作用，各個(gè)模塊是否有著很好的連接等重要問(wèn)題。 ② 輸入調(diào)幅波調(diào)制度為 30%，調(diào)制信號(hào)頻率為 20KHz,中心頻率 Fo=10MHz,載波信號(hào) ,幅度 500mV峰峰值。 結(jié)果：可以看到中心頻率值左右有多條譜線(xiàn)，但幅度不同，可以算出中心頻率 2MHz。 簡(jiǎn)易頻譜分析儀的設(shè)計(jì) 23 結(jié) 論 畢業(yè)設(shè)計(jì)已接近尾聲，在這三年里相信很多同學(xué)都有一樣的感觸，時(shí)光飛逝。對(duì)電壓值的標(biāo)定采用對(duì)比法，能得到很高的測(cè)量幅度 與精度。 通過(guò)這一綜合的實(shí)踐，很好的提高了自己的實(shí)踐操作能力，并對(duì)所學(xué)過(guò) 的相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí) 內(nèi)容進(jìn)行了回顧與整合。 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 致 謝 在論文即將完成之際， 由衷 的 向給予我悉心指導(dǎo)的導(dǎo)師高明亮老師致以 真誠(chéng)的謝意。通過(guò)高老師和同學(xué)們的幫助得以順利解決。高老師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的 作風(fēng)、博大精深的學(xué)術(shù)知識(shí)、誨人不倦 的優(yōu)良品格將 深深影響著我今后的 學(xué)習(xí) 與生活，也將是我 始終不變的目 標(biāo)。 簡(jiǎn)易頻譜分析儀的設(shè)計(jì) 25 參考文獻(xiàn) [1] 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì) . 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品精選 (2021)[M]，北京 :北京理工大學(xué)出版社 ， 2021. [2] 謝自美 .電子線(xiàn)路設(shè)計(jì) unsigned int KeyDownTimes。 char data。 define NONE 0x0 define SIN 0x1 define AM 0x2 defi