【正文】 分段取樣降低了對(duì) ADC 和 FFT 硬件的速度要求，又可以在相對(duì)窄的頻段內(nèi)得到更高的頻譜分辨率。 方案三： 掃頻法。 本機(jī)振蕩信號(hào)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。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。 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)。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。 方案二：采用鎖相環(huán)的頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)通過(guò)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(hào)，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(hào)，抑制雜散分量。 方案三：采用 AD9850 來(lái)產(chǎn)生本征頻率正弦波。外接參考頻率源時(shí)， AD9850 可以簡(jiǎn)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(hào)源。 混頻電路 方案一：采用三極管電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的混頻。 方案二：采用模擬乘法器芯片 AD835 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。 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。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。這類濾波器僅適用于低頻范圍，且 Q 值不高，帶外衰減很小。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。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。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)。過(guò)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。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。 檢波電路 方案一：利用二極管和電容即可構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的檢測(cè)電路。 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。 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。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。 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)。 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。 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(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，針對(duì)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(hào) 。早期的信號(hào)觀察，主要依賴示波器在時(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。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(guò)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(yáng)單片機(jī) SPCE061A 處理，最后送示波器顯示頻譜。 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 。 在設(shè)計(jì)研制過(guò)程中主要解決以下幾個(gè)問(wèn)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(duì)于我們的實(shí)驗(yàn)完全滿足要求。 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。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。其帶內(nèi)增益平坦，帶外衰減速度很快。 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。 (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。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(guò)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。 整體結(jié)構(gòu)如圖 所示。 ? 由于 DDS 輸出信號(hào)隨著頻率增加幅度減小，通過(guò)放大器 OP07 使輸出信號(hào)幅度維持基本不變。 ? 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。 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) 。 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。 根據(jù)說(shuō)明書的電路制作了 DDS集成板。 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 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。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。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。范圍的一個(gè) 相位點(diǎn)。 相位寄存器每過(guò) 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(guò)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。 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。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。 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。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。 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 。 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。在并行裝入方式中，通過(guò) 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。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。其中W=X*Y+Z。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。它是美國(guó) 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。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)。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。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。 低輸入偏置電流 ： 。 ◆ 3 最大高電源電壓范圍： 177。22V 。 ◆ 3 為正向輸入端， 4 接地 。 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。 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。 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(guò)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。 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。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(guò) fS 處的增益 。橢圓型濾波器的一個(gè)重要參數(shù)就是過(guò)渡比。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。 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。 下面歸納一下它們的特點(diǎn)： ◆ 全部為 8 階低通濾波器。 ◆ 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）。 ◆ 時(shí)鐘頻率和截止頻率的比率： 10∶ 1(MAX291/292/293/294)。 ◆ 既可用單 +5V電源供電也可用 177。 ◆ 有一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器可用于其它應(yīng)用目的。 (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。 圖 是用該獨(dú)立運(yùn)放組成的 2 階低通濾波器的電路，它的拐角頻率為 10kHz， 輸入阻抗為 22Ω， 可滿足 MAX29X 形狀電容濾波器的最小負(fù)載要求（ MAX29X 的輸出負(fù)載要求不小于 20kΩ）可以通過(guò)改變 R R R C C2 的元件值改變拐角頻率。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。為了平衡 DDS的掃頻速度和數(shù)據(jù)采集精度的問(wèn)題，我們選擇了 ，效果經(jīng)過(guò)檢測(cè)比較理想。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)； ◆ 可以用鍵盤編輯生成正弦波 、 方波 、 三角波這三種信號(hào)的線性組合。 （ 2） SPCE061A 簡(jiǎn)介： SPC061A 是繼 181。與 SPCE500A 不同的是，在存儲(chǔ)器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能，