基于鎖相環與FPGA的頻譜儀的設計與制作

張學梁 王詔君 張凱 劉雨晴

【摘要】 提出了一種基于新的鎖相環與FPGA制作頻譜儀的方法。采用掃頻外差法，以單片機STM32F103VET6為控制核心，結合高速可編程邏輯器件FPGA，采用鎖相環技術產生本振信號，本振信號和輸入信號混頻濾波輸出中頻信號，采用了一次下混頻、濾波，經過高速AD采樣之后由FPGA實現FFT算法輸出頻譜，最后由單片機液晶屏顯示出頻譜。

【關鍵詞】 掃頻外差式頻譜儀 鎖相環 FPGA 單片機控制顯示

理論分析：

電路實現：

（1）系統框圖：

（2）鎖相環電路：ADF4351集成芯片內部集成鑒頻器和壓控振蕩器，結合外部環路濾波器和外部參考頻率輸入，結合外部電路即可實現程序控制鎖相環功能。

（3）中頻信號產生：輸入信號經過放大輸入混頻器，和鎖相環產生的本振信號混頻經過帶通濾波器后輸出中頻信號，經過兩級放大信號調理提供AD轉換模塊的輸入。

（4）AD采樣模塊采用12位AD采樣芯片LTC2227CUH，采樣速率可以達到40MSPS，有很高的分辨率，為FPGA模塊提供信號輸入。A/D采樣電路對下混頻后的信號進行采樣。

（5）FPGA電路：采用CycloneIV 系列EP4CE10芯片，實現數字信號處理，進行濾波操作，實現FFT運算。共采集轉化為512個點，提供給單片機。

實物圖：

測試分析與結論

根據測試數據，可以得到，通過軟件控制的鎖相環輸出頻率和實際測到的鎖相環輸出頻率在誤差范圍內相等。在輸出頻率較大時波形輸出幅度有所衰減，是由于集成芯片內部環路濾波器有所衰減，對輸出的頻率變化影響不大。可以通過輸出端的指示燈觀察是否實現鎖定。由于燈的閃爍程度看出鎖定時間小于1MS。系統將掃頻外差法與快速傅里葉變換方法相結合，具有測量時間快、頻帶范圍寬、頻率分辨率高、測量精度高的優點，并具備頻譜存儲與回放功能。

參 考 文 獻

[1]戴志堅 師奕兵 王志堅， 邏輯分析儀高速數據采集及數據窗口定位，

[2] 張世箕， 數據域測試及儀器， 電子工業出版社

[3] [美]約輸·肯尼 吳運熙、張壓西、劉大可譯， 邏輯分析儀 ，電子工業出版社