頻譜分析儀技術(shù)支持詳解
本系統(tǒng)采用外差原理設(shè)計(jì)：通過開關(guān)電容濾波器取出各個(gè)頻點(diǎn)（相隔10KHz）的值，再配合放大，檢波電路收集采樣值，*后送示波器顯示頻譜。測量頻率范圍覆蓋1MHz-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)。
方案一：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(hào)與輸入信號(hào)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(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。
方案二：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(duì)輸入信號(hào)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*少等于輸入信號(hào)*高頻率的兩倍。FFT運(yùn)算時(shí)間與取樣點(diǎn)數(shù)成對(duì)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(hào)處理器(DSP)芯片。
方案三：分段FFT。這種方法將輸入信號(hào)分段，逐段進(jìn)行FFT的處理，這樣分段取樣降低了對(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。
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，我們選擇方案一實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀。
二、詳細(xì)軟硬件設(shè)計(jì)
1、硬件設(shè)計(jì)
（1） 單片機(jī)*小系統(tǒng)
如圖2.1，本系統(tǒng)選用SPCE061A單片機(jī)作為主控制器，進(jìn)行信號(hào)處理和控制人機(jī)交互。SPCE061A是一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。在存儲(chǔ)器資源方面，SPCE061A內(nèi)嵌32K字的閃存（Flash），可供存儲(chǔ)掃描所得的頻率點(diǎn)幅值，而不用外置存儲(chǔ)器，節(jié)省了存儲(chǔ)時(shí)間，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；在處理速度方面，它的CPU時(shí)鐘為0.32MHz～49.152MHz，較高的處理速度使其能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)；32位通用可編程輸入/輸出端口便于與外圍器件相連；7通道10位電壓模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)可供采集樣值。
（2）DDS集成芯片
如圖2.1，本系統(tǒng)中選用AD9850 DDS集成芯片完成DDS本振。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（DDS）、10位高速D/A轉(zhuǎn)換器和高速比較器。AD9850高速的直接數(shù)字合成器（DDS）核心根據(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)AD9850說明書的電路制作了DDS集成板。實(shí)際測試DDS的芯片所產(chǎn)生的信號(hào)波形（10M以下）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)混頻的性能，我們后接AD603加以衰減。
（3）混頻器
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)簡單，不需要進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)零調(diào)試，只需要對(duì)Z的直流輸入進(jìn)行相對(duì)調(diào)整即可。
AD835對(duì)小信號(hào)的乘法精度較高，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*好的相乘效果。電路
在實(shí)際測試過程當(dāng)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，很好地彌補(bǔ)了DDS集成芯片AD9850輸出信號(hào)的幅度隨著頻率的增加而小幅度降低的這種缺陷。
三、結(jié)論
本設(shè)計(jì)利用外差原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)頻譜分析的功能，覆蓋了1MHz-30MHz的頻譜范圍。對(duì)電壓值的標(biāo)定采用對(duì)比法，能得到很高的測量幅度精度。利用示波器顯示頻譜值，并可根據(jù)使用需要設(shè)置中心頻率和顯示帶寬。
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