簡(jiǎn)易頻譜分析儀

1、簡(jiǎn)易頻譜分析儀摘要：本系統(tǒng)采用 TI 公司的 16 位單片機(jī) MSP430F149作為控制核心， 采用外差原理設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀， 基于 DDS 技術(shù)得到 10 kHz 步進(jìn)的本機(jī)振蕩器， 采用 AD835 進(jìn)行混頻，通過(guò)低通濾波器取出差頻信號(hào)分量，再配合放大、檢波電路得到各個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)有效值。 單片機(jī) MSP430F149 與掃頻同步輸出鋸齒波掃描電壓，利用示波器 X-Y 方式顯示信號(hào)頻譜分布。 測(cè)量頻率范圍覆蓋 1MHz-30MHz ，可設(shè)定中心頻率和帶寬，還可以識(shí)別調(diào)幅，調(diào)頻和等幅波信號(hào)。關(guān)鍵詞： MSP430F149，DDS，混頻，頻譜分析一、系統(tǒng)方案1. 方案比較與選擇1.1 頻譜

2、分析儀的實(shí)現(xiàn)方案一：模擬式頻譜分析儀模擬方式的頻譜儀以模擬濾波器為基礎(chǔ)，通常有并行濾波法、順序?yàn)V波法，可調(diào)濾波法、掃描外差法等實(shí)現(xiàn)方法， 現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的模擬頻譜分析儀設(shè)計(jì)方案多為掃描外差法，此方案原理框圖如圖 1：U i混頻器濾波器檢波器Y放大器顯示器掃頻振蕩器鋸齒波掃描器X放大器圖 1 模擬外差式頻譜儀原理框圖圖中的掃頻振蕩器是儀器內(nèi)部的振蕩源， 當(dāng)掃頻振蕩器的頻率 fL 在一定范圍內(nèi)掃動(dòng)時(shí)，輸入信號(hào)中的各個(gè)頻率分量 fx 在混頻器中產(chǎn)生差頻信號(hào)（ fo= fx-fL ），依次落入窄帶濾波器的通帶內(nèi)（這個(gè)通帶是固定的） ，獲得中頻增益，經(jīng)檢波后加到 Y 放大器，使亮點(diǎn)在屏幕上的垂直偏移正比于

3、該頻率分量的幅值。 由于掃描電壓在調(diào)制振蕩器的同時(shí)， 又驅(qū)動(dòng) X 放大器，從而可以在屏幕上顯示出被測(cè)信號(hào)的線(xiàn)狀頻譜圖。 這是目前常用模擬外差式頻譜儀的基本原理。 模擬外差式頻譜儀具有高帶寬和高頻率分辨率等優(yōu)點(diǎn)，但是模擬器件調(diào)試復(fù)雜，短期實(shí)現(xiàn)有難度。方案二：數(shù)字式頻譜分析儀數(shù)字式頻譜儀通常使用高速A/D 采集當(dāng)前信號(hào)， 然后送入處理器處理， 最后將得到的各頻率分量幅度值數(shù)據(jù)送入顯示器顯示，其組成框圖如圖3：Ui實(shí)時(shí)采樣數(shù)字存儲(chǔ)處理器顯示器A/D轉(zhuǎn)換圖 3 數(shù)字式頻譜儀組成框圖信號(hào)經(jīng)高速 A/D 采集送入處理器，通過(guò)硬件乘法器與本地由 DDS產(chǎn)生的本振掃頻信號(hào)混頻， 變頻后信號(hào)不斷移入低通數(shù)字濾波

4、器， 然后提取通過(guò)低通濾波器的信號(hào)幅度， 根據(jù)當(dāng)前頻率和提取到的幅度值， 即可以繪制當(dāng)前信號(hào)頻譜圖。 但缺點(diǎn)是頻率越高，對(duì)DSP芯片的速度要求越高，相應(yīng)價(jià)格也越昂貴。根據(jù)實(shí)際條件和成本上的考慮， 在滿(mǎn)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。2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)以 MSP430 單片機(jī)為核心， 采用外差原理實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀， 將輸入信號(hào)加到混頻器上與本振信號(hào)混頻后， 再經(jīng)過(guò)低通濾波器將落入低頻段的信號(hào)提取出來(lái)。系統(tǒng)原理框圖如圖4 所示，經(jīng)由單片機(jī)控制DDS 產(chǎn)生的本機(jī)振蕩頻率fL，與輸入信號(hào)fx 分別作為乘法器的兩個(gè)輸入端，產(chǎn)生兩種頻率的信號(hào)（fL -fx）和（ fL +fx），通

5、過(guò)低通濾波器后濾掉和頻信號(hào)，再通過(guò)檢波器檢波得到濾波后的幅值信息，作為 Y 方向的信號(hào)輸入到示波器，同時(shí)利用單片機(jī)產(chǎn)生同步的鋸齒波信號(hào)作為 X 信號(hào)送到示波器，此時(shí)利用 XY 方式顯示的波形即為輸入信號(hào)的頻譜特性。f Xf L-f XYAD835濾波器AD637被測(cè)信號(hào)f L示波器DDSMCUTLC7528X圖 4 系統(tǒng)原理框圖二、理論分析與計(jì)算被測(cè)信號(hào)的電壓uxux coswxt（ 1）掃頻信號(hào)的電壓uLuL coswL t（ 2）經(jīng)混頻器得到uxuL1 uxuL cos( wLwx )tcos(wL wx )t（ 3）2經(jīng)低通濾波器得到u1uuc o s (wLw ) t（ 4）oxLx2

6、三、電路與程序設(shè)計(jì)1. 電路設(shè)計(jì)1.1 MSP430 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以 TI 公司的高性能低功耗單片機(jī)MSP430F149 為核心，設(shè)計(jì)了鍵盤(pán)和顯示電路。采用 TI 公司的電源穩(wěn)壓芯片 REG1117-3.3為單片機(jī)模塊供電， 采用 TI 公司的 74HC573 鎖存器實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的位選和段選信號(hào)鎖存，電路設(shè)計(jì)具有模塊化特點(diǎn)， 便于與其他單元進(jìn)行接口， 在本系統(tǒng)中， 為完成對(duì)各個(gè)正弦信號(hào)的幅度測(cè)量，采用 AD637 實(shí)現(xiàn)有效值檢波，利用 MSP430 單片機(jī)內(nèi)部的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)檢波結(jié)果進(jìn)行采集，根據(jù)正弦信號(hào)幅值與有效值之間的固有關(guān)系，由 MSP430 以軟件方式將有效值轉(zhuǎn)換

7、為峰值， 通過(guò)液晶 12864 完成幅度的數(shù)字顯示。1.2 正弦信號(hào)發(fā)生器頻率測(cè)量范圍是1M-3MHz ，對(duì)于這么寬的高頻帶，本系統(tǒng)采用AD9850 集成 DDS 芯片實(shí)現(xiàn)， AD9850 是高穩(wěn)定度的直接數(shù)字頻率合成器件，內(nèi)部含有輸入寄存器、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 (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 的正弦信號(hào)。根據(jù) AD9850 說(shuō)明書(shū)的電路制作 DDS 集成板。實(shí)際測(cè)試的 DDS 所產(chǎn)生的信號(hào)波形（ 10MHz 以下）較好，幅度

8、隨著頻率升高而略有下降。 AD9850 的原理方框圖如圖 5 所示。正弦波輸出DACLPF相位控方波輸出制字微正弦查相位累加器比較器處詢(xún)表理器頻率控相位控制字制字圖 5 AD9850的組成框圖1.3 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(mǎn)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 的直流輸入進(jìn)行相對(duì)調(diào)整即可。其基本原理框圖如圖 2.3 所示。其中 W=XY+Z 。圖 6 乘法器原理圖1.4 有效值檢波器該模塊采用的是 AD637， AD637 是一塊高精度單片 TRMS/DC 轉(zhuǎn)換

9、器，可以計(jì)算各種復(fù)雜波形的真有效值。 由于采用，峰值系數(shù)補(bǔ)償在測(cè)量峰值系數(shù)高達(dá)10 的信號(hào)時(shí)附加誤差僅為1% 。頻帶寬度在 2V 輸入時(shí)可達(dá) 8MHz 。由于 AD637芯片可以對(duì)輸入的正弦信號(hào)峰值直接計(jì)算并輸出其有效值， 因此可以采用該芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)的峰值檢測(cè)。其電路實(shí)現(xiàn)如圖 7 所示：+12V10uF+12VOutPut-1BUFF INBUFF OUT14InPutTL072213+NCVinTL072312-12VCOMNC+12V24K 4OFFSETAD637+Vs11+5V-12V5CS-Vs10-12V6INPUTVout910uF24K78dB OUTCAV0.22uF圖 7有

10、效值檢波電路圖1.5D/A 轉(zhuǎn)換器采用 TLC7528 和兩片 OP07 構(gòu)成 D/A 轉(zhuǎn)換器，其原理圖如圖 8 所示。整個(gè) 2 處用到 D/A 轉(zhuǎn)換器，分別將單片機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量， 傳送到示波器的X軸和Y軸。+5V10uF +0.1uF17VCCDI014D0+15V4VREFADI113D110uFDI212D2+11DI3D318100.1uFVREFBDI4D46DAC(A/B)DI59D515DI68D616(CS) 7(WR) DI7D7271TLC752835RFBA2-10K+7uoOUTA19636RFBBOP37OP37OUTB20+3-24410uF10K+0.

11、1uF-15V圖 8 D/A 轉(zhuǎn)換器原理圖1.6 濾波電路為設(shè)計(jì)通帶平坦而截止特性?xún)?yōu)良的低通濾波器，利用FilterLab 2.0 軟件，分別為各個(gè)不同頻率的方波信號(hào)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的四階巴特沃斯低通濾波器，混頻器輸出中包含有乘法器的兩個(gè)輸入端信號(hào)的和差分量，需要通過(guò)濾波器選出需要的頻譜分量，抑制掉其它不需要的信號(hào)。題目要求頻譜分辨率位10KHz，所以每個(gè)掃頻點(diǎn)的時(shí)間間隔為10KHz ，及濾波器的帶寬要小于10KHz ，對(duì)于低通濾波器，以此數(shù)值作為截止頻率，所以低通濾波器的截止頻率為 10KHz 。濾波電路如圖9 所示。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了 TI 公司的寬帶高速精密運(yùn)算放大器 OP07，提升了濾波性

12、能。C215nFC42.2nF+15V+15V10uF+In0.1uF10uF +R1R20.1uF+R3R4Out+3K6.2K-10K18KC110uF+-C2+2.2nF10uF0.1uF2.2nF-15V0.1uF-15V圖 9 四階巴特沃斯低通濾波電路2. 程序設(shè)計(jì)四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1. 測(cè)試方案2. 測(cè)試結(jié)果3. 測(cè)試波形結(jié)束語(yǔ) 出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂， 今天下三分， 益州疲弊， 此誠(chéng)危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報(bào)之于陛下也。誠(chéng)宜開(kāi)張圣聽(tīng)，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中

13、，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費(fèi)祎、董允等，此皆良實(shí)，志慮忠純，是以先帝簡(jiǎn)拔以遺陛下：愚以為宮中之事，事無(wú)大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補(bǔ)闕漏，有所廣益。將軍向?qū)?，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱(chēng)之曰“能 ”，是以眾議舉寵為督：愚以為營(yíng)中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣， 遠(yuǎn)小人， 此先漢所以興隆也； 親小人， 遠(yuǎn)賢臣， 此后漢所以?xún)A頹也。 先帝在時(shí)，每與臣論此事， 未嘗不嘆息痛恨于桓、 靈也。 侍中、尚書(shū)、 長(zhǎng)史、 參軍，此悉貞良死節(jié)之臣，愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計(jì)日而待也。臣本布衣，躬耕于南陽(yáng)，茍全性命于亂世，不求聞達(dá)于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當(dāng)世之事，由是感激，遂許先帝以驅(qū)馳。后值傾覆，受任于敗軍之際，奉命于危難之間，爾來(lái)二十有一年矣。先帝知臣謹(jǐn)慎，故臨崩寄臣以大事也。受命以來(lái)，夙