简易频谱分析仪

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1、简易频谱分析仪作者：尹三正翟勇蔡浩赛而辅导及文稿整理辅导教师：尹仕摘要：木设计利用外差原理，以单片机为核心，辅助以FPGA等实现半数字化的频谱分析。系统由4个模块组成：混频模块,信号采集模块，频谱图显示模块，输入波形识别模块。混频模块将输入信号与木振信号进行混频得到屮频信号；信号采集模块对中频信号进行检波和AD采样，将采样数据存入单片机；采样数据经单片机处理后送给FPGA,由FPGA利用示波器的XY通道完成频谱图显示；单片机通过对采集到的数据进行分析来判定波形，同时采用等精度测量法测量输入信号屮心频率。通过采用一定算法对输入信号进行处理，消除低屮频带来

2、的镜像干扰。关键词：频谱，扫频，混频，中心频率Abstract：KeyWords：spectrum,frequencyscan,frequencymixture,thecenterfrequency一.方案设计和论证本题目要求采用外差原理实现频谱分析仪，“外差”是变频的意思，因此将输入信号加到混频器上与本振信号混频后，再经过窄带屮频滤波器将落入屮频带的信号提取出來。通过AD转换器对检波后的中频信号进行采样并存入单片机，单片机对数据进行处理后再通过FPGA将频谱图显示在示波器上。输入信号整形后可通过FPGA利用等精度法进行测频，由于调频，调相和等幅波的频

3、谱图不一样，通过识别输入信号的频谱特征就可判断是何种波形。整个系统框图如图1.1所示。图系统椎图1.混频模块：方案一：选用MC3362搭建混频电路。MC3362是MOTOROLA公司生产的单片窄带调频接收电路，电路如图1・2所示：RFInputto200MHz▽图1.2：MC3362典型电路载频信号从MC3363的2脚输入，进行第一级混频后将差频为10.7MIIz的第一中频信号从23脚输出，经中频为10.7M的陶瓷滤波器选频后再由21脚送到内部的第二混频级，将羌频为0.455MHz的第二中频信号从7脚输出，经455kIIz陶瓷滤波器选频，再经9脚送入M

4、C3363的限幅放大器进行高增益放大。方案二：用乘法器和带通窄带滤波器搭建混频器：选用AD835作为乘法器，将木振信号和输入信号相乘得到二者频率的和差信号，达到混频的效果，与较常用的乘法器MCI596相比，其两路输入信号幅值可达到±W,对噪声可形成较强的抑制能力，而MCI596两个输入端允许的最人信号幅值分别为15mV和100mV,信噪比较低。带通窄带滤波器选用陶瓷滤波器，它的等效品质因数©•为儿百，比LC滤波器要高，对通带外的信号能形成很强的衰减。论证：方案一只需一块集成芯片即可实现混频和屮频输出，但与方案二相比莫外围电路过于复杂，而且英混频输出信号

5、没冇AD835干净，对输出噪声的抑制能力也较差。因此选择方案二來完成混频输出。2.本机振荡器：输入信号频率范围为1M脱〜32MHz,故耍求木机振荡器的振荡频率耍人于该值一个中频。方案一：采用LC正弦波振荡器与变容二极管产生木振频率，通过改变变容二极管两端电压，使振荡电路输出频率发生改变。方案二：采用FPGA实现。将正弦波信号的一个周期的离散样点的幅度数值量存于RAM中，以一定的地址间隔读出，经DA转换器转换输出，再经低通滤波滤除D/A带来的高次谐波，即可获得所需要的波形。方案三：采用专用DDS集成芯片来产生正弦波。论证：方案一为传统的振荡器电路形式，组

6、成电路繁琐而且不易实现频率线性步进，而11要实现29M的频率变化范围难以实现；方案二采用FPGA产生正弦波，通过改变地址步进间隔即可实现不同频率输出，但要以较小失真度产生30M正弦信号，比较困难。而采用专用DDS集成电路只需少量外围元件就能构成一个完整的信号源，而口控制方便，因此我们选择方案三。二、理论分析和参数计算1.混频模块(1)中频的选择：混频器的输出信号中除了需要的差额信号外，还存在一些谐波频率和组合频率，如果这些组合频率接近屮频并落在屮频放大器的通频带内，则会形成干扰。设木振信号频率为九。，输入信号频率为'，中频为'，组合频率为力，当fk土q

7、f严fi时会形成干扰。取fi=fLO~fsf去除不可能存在的情况，得到：£=卩±1fiq_p用不同的P，q值带入上式算岀相应的人〃值，得表如下:表2.1：组合频率选取参考表编号12345678910P0112123123q1233444555Z/Z12132/33/241/212编号11121314151617181920P4123412312q5666677788fs/fi52/53/44/35/21/33/512/71/2结合扩展部分，木题要测量的波段范围为1〜30MHZ,我们选中频'=458.5kHz,则在整个波段内，15〜65,满足这一范围的组

8、合频率干扰点很少(仅编号4,7,11,15四个点)。(1)前置放大器：由于输出信号电压有效值为