【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 (2)濾波器的設(shè)計(jì)： 本設(shè)計(jì)要求頻譜分辨力為 10KHZ，所以每個(gè)掃頻點(diǎn)的間隔為10KHZ。以此頻點(diǎn)作為中心，左右各 5KHZ 范圍之內(nèi)為有效值，所以濾波器需要 5KHZ簡(jiǎn)易頻譜分析儀的設(shè)計(jì) 5 的帶寬。 MAX297 為 8 階開關(guān)電容濾波器，可以實(shí)現(xiàn)截止頻率 的可調(diào)，很容易滿足題目的要求。其帶內(nèi)增益平坦，帶外衰減速度很快。 (3)本機(jī)振蕩器的設(shè)計(jì)：本機(jī)振蕩器要求產(chǎn)生 10KHZ的步進(jìn)信號(hào)，本系統(tǒng)采用 DDS 集成芯片 AD9850。 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。 AD9850 高速直接數(shù)字合成器根據(jù)設(shè)定的 32 位頻率控制字和 5 位相移控制字，在外接 125MHZ晶振時(shí)，可產(chǎn)生高達(dá) 40MHZ的正弦波信號(hào)。 (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。 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 2 頻譜分析儀的硬件設(shè)計(jì) 頻譜分析儀的整體結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)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) 單片機(jī) SPCE061A 處理，最后送示波器顯示頻譜。測(cè)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(shí)別調(diào)幅，調(diào)頻和等幅波信號(hào)。 整體結(jié)構(gòu)如圖 所示。 fi 數(shù)據(jù)采集 圖 簡(jiǎn)易頻譜分析儀 的整體框圖 系統(tǒng)的整體工作流程如下： ? 系統(tǒng)采用 DDS 芯片 AD9850 產(chǎn)生本機(jī)振蕩信號(hào)，通過單片機(jī)控制對(duì)其不斷寫入命令字產(chǎn)生頻率可變的正弦掃頻本振信號(hào) 。 ? 由于 DDS 輸出信號(hào)隨著頻率增加幅度減小，通過放大器 OP07 使輸出信號(hào)幅度維持基本不變。 乘法器 AD835 與輸入信號(hào)相乘，實(shí)現(xiàn)在頻域上的譜線搬移，將輸入信號(hào)的頻域譜線搬移到濾波器的通帶內(nèi)。 ? 濾波后信號(hào)通過有效值檢波器 MX636 檢測(cè)其幅值，并將此幅值通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后輸出作為對(duì)應(yīng)頻率的功率。通過不斷改變掃頻信號(hào)的頻率，就可以把輸入信號(hào)的 各個(gè)不同頻率處的譜線都搬移到通帶內(nèi)檢測(cè)出來，通過單片機(jī)處理后輸出到液晶顯示器，顯示出輸入信號(hào)的穩(wěn)定頻譜。 混頻器 AD835 濾波器 MAX297 AD603 衰減 放大器 OP07 AD9850 本振信號(hào) 示波器顯示 MCU SPCE0610A 有效值 檢波器 MX636 鍵盤及 顯示電路 放 大 AD603 簡(jiǎn)易頻譜分析儀的設(shè)計(jì) 7 頻譜分析儀的各模塊 電路 設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)易的頻譜分析儀包括 本機(jī)振蕩器 、 混頻器 、 放大器 、 濾波器 、 檢波器 、 掃頻發(fā)生器及電源保護(hù)七大模塊 ，下面將一一介紹這 七 大部分 硬件 電路 設(shè)計(jì) 。 本機(jī)振蕩 器 模塊 本機(jī)振蕩器要求產(chǎn)生 10KHZ的步進(jìn)信號(hào)，本系統(tǒng)采用 DDS集成芯片 AD9850。 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。 AD9850高速直接數(shù)字合成器根據(jù)設(shè)定的 32位頻率控制字和 5位相移控制字，在外接 125MHZ晶振時(shí)，可產(chǎn)生高達(dá) 40MHZ的正弦波信號(hào)。 根據(jù)說明書的電路制作了 DDS集成板。實(shí)際測(cè)試 DDS芯片所產(chǎn)生的信號(hào)波形（ 10MHZ）較好，幅度隨著頻率的升高而略有下降，為了滿足 AD835小信號(hào)混頻性能，后接 AD603加以衰減。 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。 AD9850調(diào)制字的裝入可以采用異步串行接口 UART，同時(shí)兼顧到單片機(jī) IO口得分配和對(duì)調(diào)制字裝入速度的要求，將系統(tǒng)時(shí)鐘改成最大值 49MHZ，以加快掃描和掃描速度。 AD9850 的工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu) AD9850內(nèi)含可編程 DDS系統(tǒng)和高速比較器，可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成?？删幊?DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，由一個(gè)加法器和一個(gè) N位相位寄存器組成， N一般為 24～32。每來一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器便以步長 M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中 0176?！?360176。范圍的一個(gè) 相位點(diǎn)。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng) DAC 輸出模擬量 。 相位寄存器每過 2N/ M 個(gè)外部參考時(shí)鐘后返回到初始狀態(tài)一次，相應(yīng)地正弦查詢表每經(jīng)過一個(gè)循環(huán)也回到初始位置，從而使整個(gè)DDS 系統(tǒng)輸出一個(gè)正弦波。輸出的正弦波頻率 fout = M*fc/ 2的 N次方 ， fc 為外部參考時(shí)鐘頻率。 AD9850 采用 32 位的相位累加器將信號(hào)截?cái)喑?14 位輸入到正弦查詢表，查詢表的輸出再被截?cái)喑?10 位后輸入到 DAC ， DAC 再輸出兩個(gè)互補(bǔ)的電流。 DAC 滿量程輸出電流通過一個(gè)外接電阻 RSET調(diào)節(jié)，典型值 。將 DAC 的輸出經(jīng)低通濾波后接到 AD9850 內(nèi)部的高速比較器上即可直接輸出方波。 而且 在 125MHz 的時(shí)鐘下 , 32 位頻率控制字可使 AD9850 輸出頻率分辨率達(dá) 0. 0291Hz 。 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。 ADC部分包括兩個(gè)采樣速率達(dá) 900KHz的 16位二階 ADC、增益可編程放大器 (PGA ).基準(zhǔn)電壓源等模擬電路。兩個(gè) 16位 ADC分別對(duì)負(fù)載電流和負(fù)載電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn) 換。 圖 AD9850的組成原理。 沈陽工程學(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 。供電時(shí)僅為 155MW，擴(kuò)展工業(yè)級(jí)溫度范圍為 40～ 80度，采用 28SSOP表面封裝形式。 AD9850的引腳排列如圖 圖 圖 AD9850引腳圖 AD9850有 40 位控制字 ， 32 位用于頻率控制， 5 位用于相位控制， 1 位用于電源休眠( Powerdown) 控制， 2位用于選擇工作方式。這 40 位控制字可通過并行或串行方式輸入到AD9850 。在并行裝入方式中，通過 8 位總線 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。 AD9850的復(fù)位 (RESET) 信號(hào)為高電平有效，且脈沖寬度不小于 5 個(gè)參考時(shí)鐘周期 。AD9850的參考時(shí)鐘頻率一般遠(yuǎn)高于單片機(jī)的時(shí)鐘頻率 ， 因此 AD9850 的復(fù)位 (RESET)端可與單片機(jī)的復(fù)位端直接相連。 相位累加器 累加 器 累加 器 DAC 比較器 LPF 微控制器 相位控 制字 頻率控制字 正弦查詢表 相位寄存器 簡(jiǎn)易頻譜分析儀的設(shè)計(jì) 9 混頻 器 模塊 乘法器 AD835 可以實(shí)現(xiàn) 250MHZ 帶寬內(nèi)的混頻，這對(duì)于我們的設(shè)計(jì)完全滿足要求。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。其基本原理如圖 所示。其中W=X*Y+Z。 圖 基本原理框圖 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。在實(shí)際測(cè)試過程中，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。 AD603 正是這樣一種具有程控增益調(diào)整功能的芯片。它是美國 ADI 公司的專利產(chǎn)品，是一個(gè)低噪、 90MHz帶寬增益可調(diào)的集成運(yùn)放，如增益用分貝表示，則增益與控制電壓成線性關(guān)系，壓擺率為 275V/μs。管腳間的連接方式?jīng)Q定了可編程的增益范圍，增益在 11～+30dB 時(shí)的帶寬為 90Mhz，增益在 +9～ +41dB 時(shí)具有 9MHz帶寬，改變管腳間的連接電阻，可使增益處在上述范圍內(nèi)。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)。 放大 器 模塊 OP07 芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于 OP07 具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于 OP07A 最大為 25μV），所以 OP07 在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。 OP07 同時(shí)具有輸入偏置電流低（ OP07A 為 177。2nA）和開環(huán)增益高（對(duì)于OP07A 為 300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(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。 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 OP07 管腳圖 其特點(diǎn)是 ： ◆ 超低偏移 ： 150μV最大 。 低輸入偏置電流 ： 。 ◆ 低失調(diào)電壓漂移： ℃ 。 ◆ 3 最大高電源電壓范圍： 177。3V至 177。22V 。 ◆ 1 和 8 為偏置平衡 (調(diào)零端 )， 2 為反向輸入端 。 ◆ 3 為正向輸入端， 4 接地 。 ◆ 5 空腳 ， 6 為輸出， 7 接電源 + 。 圖 典型低頻噪 聲放大電路 濾波 器 模塊 本設(shè)計(jì)要求頻譜分辨力為 10KHZ，所以每個(gè)掃頻點(diǎn)的間隔為 10KHZ。以此頻點(diǎn)作為中心，左右各 5KHZ范圍之內(nèi)為有效值，所以濾波器需要 5KHZ的帶寬。 MAX297為 8階開關(guān)電容濾波器，可以實(shí)現(xiàn)截止頻率 — 50KHZ的可調(diào)，很容易滿足題目的要求。其帶內(nèi)增益平坦，帶外衰減速度很快。 MAX297的 1管腳的 CLK信號(hào)可以外接一個(gè)電容實(shí)現(xiàn)截止頻率的選擇： 這樣可以根據(jù) MAX297的截止頻率和 CLK的比值為 1:50的關(guān)系確定截止頻率 fc，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試R110kE20R52. 5k+U1OP 073267 14 8E1V115V dcE3R410kE0R310kR210kCoscfosc 3105?簡(jiǎn)易頻譜分析儀的設(shè)計(jì) 11 選擇 120pF可以實(shí)現(xiàn) 5KHZ的截頻，滿足題目的頻譜分辨力要求。如圖 。 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渡帶可以作得很窄。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。這樣幾番重復(fù)就使阻事賓頻響呈現(xiàn)波浪形，阻帶從 fS 起算起，高于頻率 fS 處的增益不會(huì)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(dòng)。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