频谱分析仪模拟式

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1、2011年电子设计竞赛暑期培训试题频谱分析仪（仪器仪表类）作者：辅导教师：摘要本系统是采用外差式原理设计并实现的频谱分析仪。系统实现功能为在输入信号幅值为时对其频率测量范围为10～20MHz的信号进行频谱分析，信号经前置放大器AD603处理，与利用DDS芯片（AD9850）信号合成技术和倍频来获得10KHz步进的扫频信号相乘，用AD835做混频器，通过滤波器取出各个频点的值，再进行放大、有效值转换、AD采样送至ATmega16单片机处理并由LCD320*240的大显示频谱图及其相关参数。关键字：频谱分析仪混频DDS滤波

2、有效值转换1.系统方案选择和论证1.1方案论证与选择方案一：快速傅里叶变换（FFT）。这种频谱分析仪采用数字方案直接由模数转换器对输入信号采样，再经过FFT变换处理后获得频谱分布图。它的频率范围受到ADC采样速率的FFT的运算速度的限制。为获得良好的一起线性度和分辨率，ADC的采样速率至少为输入信号的两倍。对FFT运算器件也有很高的要求，一般采用数字信号处理器件（DSP）。这种方法的优点是硬件电路简洁，主要依靠软件运算，可以提高分辨率，但是高速AD和高速FFT运算器件，价格昂贵。方案二：扫频法。这种频谱分析仪采用外差原

3、理，由本机振荡器产生一定步进频率的扫频信号与输入信号相乘，然后由适当的滤波器将差频分量滤出以代表相应频点的幅度。这种方法的特点是扫频范围大，较数字方法成本较低廉，但是这种方法对硬件电路要求高，各个模块的性能需要精心设计，整体调试难度大。根据现有的水平的成本上考虑，我们采用方案二实现频谱分析仪的设计。1.2系统基本方案系统设计基本框图如图1所示：DDS放大混频滤波、放大有效值检测数字处理(ATmega16单片机)AD采样LCD显示输入信号图1系统设计基本框图1.3各模块方案选择与论证（1）前置放大器基于对前置放大器增益带

4、宽积的考虑：因为输入信号频率为10MHz～20MHz，峰峰值为，而混频器的输入要求信号峰峰值为1V，故需要前置放大器将输入信号放大2934dB。经过对不同型号的带宽放大器分析比较，选择AD公司的可变增益带宽放大器AD603作为前置放大器：当其带宽取0～40MHz时，增益在0～40dB间可调，满足题目要求。（2）混频电路混频电路采用以乘法器AD835为主要器件的电路构成，AD835可以实现250MHz带宽内的混频，这能够完全满足题目的要求，而且其输出幅度在不同频率时幅度相对稳定，外围电路相对比较简单，不需要进行复杂的调试

5、，只需要对Z输入的直流信号进行相对调制即可。（3）本振电路采用直接数字合成器件AD9850，AD9850稳定度高，输出频率精确，内部包含输入寄存器、数据存储器、数字合成器（DDS）、10位高速DA转换器和高速比较器，在外接125MHz晶振是最大输出信号70MHz的正弦信号。本题妖气的输入信号频率为10MHz-20MHz，AD9850产生的信号能够满足扫频信号的频率（10MHz-20MHz）要求。AD9850直接通过单片机控制，产生范围频率为9.995MHz—20.005MHz、步进为10kHz的扫频信号。（4）滤波电路

6、1.本设计要求的频谱分辨率为10KHz，所以每个扫描点的间隔为10KHz。以此为频率中心点，左右各5KHz范围内为有效值，所以每个滤波器需要5KHz的带宽。MAX297为8阶开关电容滤波器，可以实现截止频率为0.1~50KHz的可调，能够满足题目要求。2.扫频信号的滤波，经过试验发现对本系统有影响的噪声有DDS输出信号中的噪声，因此在扫频信号后面加以滤波器截止频率为30MHz。（5）有效值检测有效值检测采样高精度的有效值检测器件AD637，先将峰值转换为有效值，再进行采样。AD637的误差为0.5mV+0.1%读数，在

7、电源供电条件下最大输入信号可达4V，能够满足本题的要求。（6）控制电路为减少系统的复杂程度和可靠性，我们采用ATmega16单片机作为控制电路，它内部自带AD，速度快。（7）显示电路由于设计方案中需要显示信号的频谱，所以用LCD320*240大屏作显示。2.系统的设计与实现2.1系统的硬件组成部分2.1.1本振电路扫频信号部分采用专用DDS芯片AD9850。AD9850输出频率的计算公式为其中为32位控制字，=125MHz。由于，故其输出频率范围，本设计考虑到高频噪声，在扫频信号后面加以截止频率为30MHz的低通滤波器

8、，故最终AD9850输出频率范围为原理图如图2所示：图2AD9850电路2.1.2前级放大电路根据前面对题目的分析以及受运算放大器的带宽限制，决定采用两级放大电路对输入信号进行放大，使其达到预定的要求。第一级放大电路采用300MHz带宽的运放AD8011对输入信号进行放大，放大10倍。第二级采用可控增益放大器AD603进行放大，放