簡易頻譜分析儀設計分析

柳　敏　李　白　楊靜竹

摘 要:簡易頻譜分析儀基于外差原理,采用本機振蕩信號與被測信號混頻的方法實現該原理,可對頻率范圍在1MHz—30MHz之間的被測信號進行頻譜分析,頻率分辨力和誤差均小于1KHz。該系統具有識別調幅、調頻和等幅波信號及測定其中心頻率的功能,可設置中心頻率和掃頻寬度。

關鍵詞:外差法;頻譜分析;混頻

中圖分類號:TH871.7文獻標識碼:A文章編號:1672-3198(2009)18-0307-02

1 方案設計

(1)采用外差原理設計并實現頻譜分析,其參考原理框圖如圖1所示。

這要求頻率測量范圍為1MHz—30MHz,頻率分辨力為10kHz,輸入信號電壓有效值為20mV±5mV,輸入阻抗為50Ω。可設置中心頻率和掃頻寬度;借助示波器顯示被測信號的頻譜圖,并在示波器上標出間隔為1MHz的頻標。具有識別調幅、調頻和等幅波信號及測定其中心頻率的功能,采用信號發生器輸出的調幅、調頻和等幅波信號作為外差式頻譜分析儀的輸入信號,載波可選擇在頻率測量范圍內的任意頻率值,調幅波調制度ma=30%,調制信號頻率為20kHz;調頻波頻偏為20kHz,調制信號頻率為1kHz。

基本電路涉及放大電路,本振電路,混頻電路,濾波電路,有效值檢波以及各個模塊之間的耦合與匹配。

(2)系統總體設計方案。

輸入信號經過放大,匹配輸入阻抗,使得信號幅度在最佳狀態,1次混頻的掃頻本振由DDS產生的信號經放大濾波后獲得,在30多MHz的中心頻率處做一個選頻網絡作為中頻濾波器。二次混頻的固定本振采用串聯晶體振蕩電路,產生高穩定度的本振信號,將信號頻譜搬移到10.7M,以便濾波器使用10.7M的標準中頻陶瓷濾波器。三次混頻和二次混頻類似,中頻濾波器通過455K帶通濾波器。再經過均值檢波,A/D轉換,存儲在FPGA內部的RAM中,再經過存儲數據判斷送示波器X軸Y軸顯示。

采樣、控制部分采用89S52單片機和FPGA實現,調配鍵盤,顯示,實現人機界面。

2 理論分析與計算

2.1 測量范圍(1M—30MHz)的理論分析

要求頻率測量范圍是1M—30MHz,對于這么寬的高頻帶,只能采用集成DDS芯片實現。采用AD9851,最高時鐘頻率為180MHz,輸出30MHz信號時每個周期的平均點數只有6個,混疊失真比較嚴重。所以要想實現題目要求的指標,對AD9851輸出信號的濾波和放大等處理是比較關鍵的。

2.2 頻率分辨力的相關理論分析

要求的頻率分辨力是10KHz,即能分辨頻率之差為10KHz的信號。這一指標包含了兩個意思:

(1)掃頻發生器的頻率步進應≤10KHz。(2)測得的頻率誤差應≤10KHz。

2.3 帶通濾波器中心頻率及帶寬的確定

(1)中心頻率的確定。

對于等幅波,理論上譜線只有一根,只要濾波器帶寬合適,就可以消除鏡像頻率的干擾。但對于調幅和調頻波,就必須考慮鏡像頻率的干擾。設載波頻率為fc,中心頻率為fw,為了抑制鏡像頻率的干擾,需滿足: fc-20k+2fw≥fc+20k,即fw≥20KHz。綜合考慮濾波器的性能后,我們將fw定為45KHz。

(2)帶寬的確定。

根據題目給出的10KHz的頻率分辨力,為了防止頻譜混疊,濾波器帶寬應≤10KHz。我們根據實際情況,最終將帶寬定在6KHz。

3 系統調試與指標測試

3.1 測試方法

采用分級調試的方法,先調試帶通濾波器、放大器、混頻器、晶體振蕩器等各個模塊都正常工作,其中檢波,A/D,D/A及AD9851模塊需結合程序來調試。再按功能實現按階段進行調試。首先調試9851,先寫一個掃頻程序,讓9851產生1M到30M的頻率,用示波器觀察9851出來的信號在正個掃頻范圍內是否正常。再調試混頻器,用信號源輸出一個信號,和9851輸出的信號混頻,混頻后的結果用示波器觀察,其頻譜應該有兩根線,一個是兩個信號的頻率相加,一個是兩個信號的頻率相減。接下來就調試34.7M的帶通濾波器。由于在這么高的頻率上做一個帶通濾波器不是很容易,所以我們是先用射頻信號源把帶通濾波器調試好,就可以直接投入使用了。由于本系統有三級混頻,所以在后兩級混頻中還要有本振,我們采用的是晶振蕩器。晶體振蕩器的調試也是用示波器觀察,調試好后直接投入使用。然后就是檢波和A/D轉換,檢波的調試先讓9851輸出一個固定的頻率,然后改變信號源的頻率,用示波器觀察檢波后的直流量的變化規律是否正常。調試好檢波之后就調試A/D轉換器,這部分的調試要用CPU啟動A/D轉換和采樣,轉換之后的數字量應和輸入的模擬量相對應。D/A的調試很方便,讓CPU輸出一個三角波的數字信號給D/A,用示波器觀察轉換后的結果。在分別調整各個部分性能至最優后進行整體調試。

3.2 測量結果(如下表所示)

4 實驗結果分析

本實驗結果基本上達到了要求。由于采用了高中頻原理,所以沒有鏡像干擾。但是采用的是AD637有效值檢波,由于其滯后特性,使得測得中心頻率點的峰值會有所減小,中心頻率滯后。我們通過來回兩次掃頻減小誤差。本系統的誤差來源還有濾波器的帶寬不夠窄,第一次混頻時的兩個高頻信號會互相干擾,致使頻譜不夠純凈,對后級的混頻濾波會有影響。

參考文獻

[1]@謝自美.電子線路設計?實驗?測試[M].武漢:華中理工出版社,2000,(2).

[2]@李朝青.單片機原理及接口技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,1999,(3).

[3]@李華.MCS-51系列單片機實用接口技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,1993,(8).

[4]@王金明,樣吉斌.數字系統設計與Verilong HDL[M].北京:電子工業出版社,2005.