基于外差法的簡易頻譜分析儀設計

盧 煒

（華中師范大學 物理學院，湖北 武漢 430074）

1 案設計要求

設計要求頻率測量范圍為1~30M，頻率分辨率為10k，輸入信號電壓有效值為20mV左右，輸入阻抗為50歐，可設置中心頻率和掃頻寬度；借助于示波器顯示被測信號的頻譜圖，并在示波器上標出間隔為1M的頻標。具有識別調幅、調頻和等幅波信號。設計的參考原理框圖如圖1所示。

2 總體方案設計

圖1中方案基本電路包括放大電路，本振電路，混頻電路，濾波電路，檢波電路和顯示電路；本設計實現的關鍵在于本機振蕩器、混頻器、濾波器和檢波器等高中頻部分。

2.1 前置放大器

由于進入混頻器的輸入信號峰峰值為2V左右時，此時混頻出來的效果最好，所以被測輸入信號必須先進行放大，經計算，放大倍數大概為20倍；由于又是高頻信號，選擇芯片必須放大頻帶寬，故選擇AD8009，電流型運放，單增益帶寬可達1GHz。

2.2 混頻和濾波部分

設計要求輸入頻率測量范圍為1MHz 30MHz，為了防止混頻時產生鏡像干擾，本設計采用二次混頻，第一次混頻后經過濾波器，再進行第二次混頻，變成低頻，再通過一個低頻帶通濾波器。這樣就可以徹底消除鏡像干擾。

第一級混頻器的輸出濾波器中心頻率就必須大于30MHz。考慮到中頻濾波器的實際選頻特性，取中頻帶通濾波器1的中心頻率為34.3MHz，選擇晶體濾波器，中心頻率為34.3M.由于經過濾波器后，幅度會變小，故再經過一級放大器放大到峰峰值為2V左右，接著進行第二混頻；第二級固定的本振頻率的選擇與后一級的低頻濾波器有關，由于第二級是一個中心頻率為20K，3dB帶寬為1k的帶通濾波器，所以第二級振蕩頻率為34.28M。這里第二級的帶通濾波器是選擇MAX274集成濾波器設計而成的，只需通過改變外接電阻來實現你的中心頻率和帶寬要求，設計相對簡單。

2.3 本機振蕩器

本設計采用專用DDS集成芯片AD9852來實現設計，因為專用DDS芯片集成了眾多數字部件，這種高度的集成化避免了因分立元件布線造成的信號干擾對系統性能的影響，提高了輸出信噪比，大大降低了功耗，簡化了硬件連接，增加了系統的運行速度和可靠性，同時也大大縮短了開發周期。

第一級本振信號頻率為34.3~66.3MHz，AD9854片上集成了采樣率高達400MSPS的14位DAC，可以產生高達200MHz的正弦波，利用其數字可編程功能通過串行I/O口向芯片寫入頻率變化和控制字可靈活的控制其頻率和相位。AD9854內部還集成了一個1024×32bit的靜態RAM，用以支持靈活的跳頻、跳相應用，同時還支持用戶定義的線性掃頻操作。芯片還包含了一個高速片上比較器，可用于需要輸出方波的場合。時鐘方面，AD9854內部集成了振蕩電路，支持單晶體驅動和外部時鐘驅動兩種模式，內部還帶鎖相環可以將外部時鐘倍頻4～20倍提作為系統時鐘，系統時鐘最高可達400MHz。數字接口可支持通用5V標準。并且具有多芯片同步功能。

2.4 檢波電路

采用傳統的二極管包絡檢波法。

3 系統調試及指標測試

3.1 調試過程

采用分級調試的方法，先調試放大器、混頻器、帶通濾波器、本機振蕩等各個模塊都正常工作，其中檢波，A/D,D/A及AD9852模塊需要結合程序來統調。緊接著按功能實現進行調試。首先調試AD9852，看是否會出現正確的掃頻信號；然后就是混頻器，用信號源輸出一個信號，和9852輸出的信號混頻，用示波器觀察；接下來就是調試晶體濾波器和帶通濾波器；最后就是檢波和顯示。檢波的調試先讓9852輸出一個固定的頻率，然后改變信號源的頻率，示波器觀察檢波后的直流量的變化規律是否正常。分別調試各個部分最優后進行整體調試。

3.2 測量結果

表1 測量結果

測量次數 NO.3 NO.4信號類型 參數 信號源輸出 測量值 信號源輸出 測量值等幅波 頻率 5M 4.98M 10M 10M調幅波載波頻率 5M 4.95M 10M 9.98M調制信號頻率 20k 19.5k 20k 19.8k調制度 50% 49% 60% 58%調頻波中心頻率 5M 4.95M 10M 9.90M頻偏 20k 19.4k 20k 19.2k

4 設計結果分析

本設計利用外差原理實現了對信號頻譜分析的功能，覆蓋了1MHz-30MHz的頻譜范圍。應用了集成度較高的芯片作為個功能模塊，提高了整個系統的穩定性和精度。在設計中各模塊的設計都很重要，只有掌握好各種芯片的性能指標，使每級輸入的幅度和頻率都適合才能使他們發揮最好的效果，并且要注意各級的級聯，否則會影響整個系統的性能。

[1]童詩白,華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]潘松,黃繼業.EDA技術與VHDL[M].北京：清華大學出版社，2007.

[3]管致中.電子測量技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[4]李群芳,肖看.單片機原理接口及應用[M].北京：清華大學出版社，2005.