簡易頻譜分析儀的設(shè)計畢業(yè)論文

1、摘 要頻譜分析儀的基本功能是測量信號的幅度/頻率響應(yīng)，可以完成諸如頻譜成分分析、失真測量、調(diào)制信號譜分析、信號衰減測量、電子組件增益測量等。其基本工作原理是，掃頻本振的頻率隨鋸齒波發(fā)生器的輸出在一定范圍內(nèi)掃描，使不同頻率的輸入信號與本振混頻后，依次落入分辨率帶寬濾波器通帶內(nèi)，進一步放大、檢波后加到y(tǒng)放大器，亮點在屏幕上的垂直偏移正比于該頻率分量的幅值。由于掃描電壓在調(diào)制振蕩器的同時，又驅(qū)動x放大器，從而可以在屏幕上顯示出被子測信號的頻譜。本系統(tǒng)是根據(jù)外差原理設(shè)計并實現(xiàn)的頻譜分析儀。利用dds芯片生成10khz步進的本機振蕩器，ad835做混頻器實現(xiàn)頻率的合成，通過濾波器取出各個頻點（相隔10k

2、hz）的值，再配合放大，檢波電路收集采樣值，經(jīng)單片機spce061a處理，最后送給示波器顯示頻譜。測量頻率范圍覆蓋130mhz，該系統(tǒng)也可以根據(jù)用戶的需要設(shè)定顯示頻譜的中心頻率和帶寬，還可以識別調(diào)幅，調(diào)頻和等幅波信號。 關(guān)鍵詞 頻譜分析，混頻，濾波，外差原理 abstractspectrum analyzer to measure the signal is the basic function of the amplitude/frequency response can be finished such as spectrum composition analysis, distortio

3、n measuring, modulation signal spectrum analysis, signal attenuation measure, electronic component gain measurements. basic working principle is, sweep frequency this the vibration of the frequency with the output of sawtooth wave generator in a certain range of different frequency scanning, make th

4、e input signal and the resonance frequency mixing, ordinal fall within bandpass filter bandwidth resolution, further amplification, after detection of amplifier, highlights added to y in screen is proportional to the vertical migration of the amplitude frequency components. due to scan voltage in mo

5、dulation oscillator, and meanwhile, thus can drive x amplifier is shown on the screen in the spectrum of the measured signal quilt.this paper adopts heterodyne principle design and realize the spectrum analyzer. use 10khz dds chip generation step of this machine oscillators, ad835 do mixers, through

6、 the filter remove each frequency (10khz) value apart, coupled with amplifier, detection circuit to collect samples values of sunplus spce061a processing by mcu, finally send oscilloscope display spectrum. measure frequency range covers 1-30mhz according to user need to set the display spectrum of c

7、enter frequency and bandwidth, still can identify am, fm and amplitude wave signal.key words spectral analysis, mixing, smoothing, heterodyne principle目錄摘 要iabstractii1 緒 論- 1 -1.1 頻譜分析儀的簡介- 1 -1.2 總體設(shè)計方案比較- 2 -1.3 底層電路方案比較與選擇- 2 -1.3.1本機振蕩電路- 2 -1.3.2 混頻電路- 3 -1.3.3 濾波電路- 3 -1.3.4 檢波電路- 3 -1.3.5 掃頻

8、發(fā)生器電路- 4 -1.4 本課題研究的意義- 4 -1.5 本課題設(shè)計思路- 4 -2 頻譜分析儀的硬件設(shè)計- 6 -2.1 頻譜分析儀的整體結(jié)構(gòu)- 6 -2.2 頻譜分析儀的各模塊電路設(shè)計- 7 -2.2.1 本機振蕩器模塊- 7 -2.2.2 混頻器模塊- 9 -2.2.3 放大器模塊- 9 -2.2.4 濾波器模塊- 10 -2.2.5 檢波器模塊- 12 -2.2.6 掃頻發(fā)生器模塊- 13 -2.2.7 電源保護模塊- 16 -3 軟件設(shè)計- 18 -3.1 軟件設(shè)計要求- 18 -3.2 主程序的軟件設(shè)計- 19 -4 系統(tǒng)調(diào)試與指標測試- 20 -4.1 硬件調(diào)試- 20 -4

9、.2 軟件調(diào)試- 20 -4.3 軟硬聯(lián)合調(diào)試- 20 -4.4 指標測試- 20 -4.4.1 儀器測試- 20 -4.4.2 指標測試- 20 -結(jié) 論- 23 -致 謝- 24 -參考文獻- 25 -附 錄- 26 -1 緒 論1.1 頻譜分析儀的簡介 頻譜分析儀是對無線電信號進行測量的必備手段，是從事電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗的常用工具，在各種振動、噪聲、電聲、發(fā)動機、建筑、生物、醫(yī)學等領(lǐng)域也起著重要作用。因此，頻譜分析儀的應(yīng)用十分廣泛，被稱為工程師的射頻萬用表。頻譜儀被譽為射頻領(lǐng)域的示波器，現(xiàn)代頻譜儀不僅具有傳統(tǒng)的頻譜分析功能，而且通過擴展選件，可以集成功率計、頻率計、標量/矢量網(wǎng)絡(luò)分

10、析儀、信號分析、通信測試儀等眾多儀器的主要功能，堪稱射頻測試的集大成者，擁有一臺高性能頻譜儀，即可完成大部分射頻測試、信號分析功能?，F(xiàn)代實時頻譜儀的出現(xiàn)，進一步將頻譜儀的應(yīng)用領(lǐng)域擴展到快速變化的瞬態(tài)信號測試、實時帶寬信號分析中。傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機,輸入信號經(jīng)變頻器變頻后由低通濾器輸出,濾波輸出作為垂直分量,頻率作為水平分量,在示波器屏幕上繪出坐標圖,就是輸入信號的頻譜圖。由于變頻器可以達到很寬的頻率,例如30hz-30ghz,與外部混頻器配合,可擴展到100ghz以上,頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測量儀器之一。無論測量連續(xù)信號或調(diào)制信號,頻譜分析儀都是很理想的測

11、量工具。但是,傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點,它只能測量頻率的幅度,缺少相位信息,因此屬于標量儀器而不是矢量儀器?；诳焖俑道锶~變換(fft)的現(xiàn)代頻譜分析儀，通過傅里葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量，達到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)對輸入信號取樣，再經(jīng)fft處理后獲得頻譜分布圖。在這種頻譜分析儀中，為獲得良好的儀器線性度和高分辨率，對信號進行數(shù)據(jù)采集時 adc的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍，亦即頻率上限是100mhz的實時頻譜分析儀需要adc有200ms/s的取樣率。目前半導體工藝水平可制成分辨率8位和取樣率4gs/

12、s的adc或者分辨率12位和取樣率800ms/s的adc，亦即，原理上儀器可達到2ghz的帶寬，為了擴展頻率上限，可在adc前端增加下變頻器，本振采用數(shù)字調(diào)諧振蕩器。這種混合式的頻譜分析儀可擴展到幾ghz以下的頻段使用。 fft的性能用取樣點數(shù)和取樣率來表征，例如用100ks/s的取樣率對輸入信號取樣1024點，則最高輸入頻率是50khz和分辨率是50hz。如果取樣點數(shù)為2048點，則分辨率提高到25hz。由此可知，最高輸人頻率取決于取樣率，分辨率取決于取樣點數(shù)。fft運算時間與取樣，點數(shù)成對數(shù)關(guān)系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時，要選用高速的fft硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號處理器(

13、dsp)芯片。例如，10mhz輸入頻率的1024點的運算時間80s，而10khz的1024點的運算時間變?yōu)?4ms，1khz的1024點的運算時間增加至640ms。當運算時間超過200ms時，屏幕的反應(yīng)變慢，不適于眼睛的觀察,補救辦法是減少取樣點數(shù)，使運算時間降低至200ms以下。1.2 總體設(shè)計方案比較 方案一：fft法。這種頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)對輸入信號取樣,再經(jīng)fft處理后獲得頻譜分布圖。它的頻率范圍受到adc采集速率和fft運算速度的限制。為獲得良好的儀器線性度和高分辨率，adc的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍。fft運算時間與取樣點數(shù)成對數(shù)關(guān)系

14、，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時，要選用高速的fft硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號處理器(dsp)芯片?？梢娺@種方法的優(yōu)點是硬件電路簡單，主要依靠軟件運算，可以提高分辨率。其缺點是頻率越高，對adc和dsp芯片的速度要求越高，相應(yīng)價格也越昂貴。 方案二：分段fft。這種方法將輸入信號分段，逐段進行fft的處理，這樣分段取樣降低了對adc和fft硬件的速度要求，又可以在相對窄的頻段內(nèi)得到更高的頻譜分辨率。但是這種方法在軟件和硬件的設(shè)計和測試上顯然要復雜很多，尤其是在1m-30mhz如此寬的頻段范圍內(nèi)。 方案三：掃頻法。這種頻譜分析儀采用外差原理，由本機振蕩器產(chǎn)生一定步進頻率的信號與輸入信號

15、相乘，然后由適當?shù)臑V波器將差頻分量濾出以代表相應(yīng)頻點的幅度。本機振蕩信號可以達到很寬的頻率，與外部混頻器配合，可擴展到很高頻率。這種方法的突出優(yōu)點是掃頻范圍大，硬件成本低廉，但這種方法對硬件電路要求較高，各模塊性能都需要精心設(shè)計，且連接在一起整體調(diào)試時有一定難度。而且它只適于測量穩(wěn)態(tài)信號的頻率幅度，但獲得測量結(jié)果要花費較長的時間。根據(jù)實際條件和成本上的考慮，在滿足題目要求的前提下，我們選擇方案三來實現(xiàn)頻譜分析儀的總體設(shè)計。1.3 底層電路方案比較與選擇底層電路方案設(shè)計包括本機振蕩模塊，混頻模塊，掃頻模塊，濾波模塊和檢波模塊方案設(shè)計。1.3.1本機振蕩電路 方案一：采用dds 信號發(fā)生器來產(chǎn)生本

16、征頻率。其實現(xiàn)方法是：利用單片機波表到fpga 的ram 中，然后將波表數(shù)據(jù)輸出到d/a 中，通過d/a 轉(zhuǎn)換而得到。該方法實現(xiàn)簡單，只需要一片da 芯片就可以了，但由于此方法只能產(chǎn)生頻率較低的正弦波，對題目中所要求的1mhz-30mhz頻率范圍的正弦波產(chǎn)生比較困難，因此舍棄該方法。 方案二：采用鎖相環(huán)的頻率合成技術(shù)實現(xiàn)通過改變程序分頻器的分頻比可以獲得頻率穩(wěn)定度等同與晶振的輸出信號，基于鎖相環(huán)的窄帶跟蹤特性，可以較好的選擇所需頻率信號，抑制雜散分量。但由于鎖相環(huán)本身是個惰性環(huán)節(jié)，頻率轉(zhuǎn)換時間較長，同時受vco 可變頻率范圍的影響，頻帶不能做的很寬。 方案三：采用ad9850來產(chǎn)生本征頻率正弦

17、波。ad9850是ad 公司最新推出的采用先進cmos 技術(shù)生產(chǎn)的具有高集成度的直接數(shù)字合成器，內(nèi)置32 位頻率累加器、10bit 高速dac、高速比較器和可軟件選通的時鐘6 倍頻電路。外接參考頻率源時，ad9850可以產(chǎn)生頻譜純凈、頻率和相位都可控且穩(wěn)定度非常高的正弦波，可以直接作為信號源。由于要產(chǎn)生的正弦波信號要穩(wěn)定度高、相位穩(wěn)定、頻帶較寬，且目前有可用的ad9850模塊可用，因此采用方案三。1.3.2 混頻電路方案一：采用三極管電路實現(xiàn)信號的混頻。由于在該方案中用到了分立元件三極管，電路中容易產(chǎn)生非線性失真，同時，相對于數(shù)字電路來說，該電路性能也不是很穩(wěn)定。方案二：采用模擬乘法器芯片ad

18、835 實現(xiàn)信號的混頻。ad835 是電壓輸出的模擬乘法器，其基本功能是實現(xiàn)w=xy+z。該乘法器芯片可以實現(xiàn)250mhz 范圍內(nèi)信號的混頻。根據(jù)以上的分析可知，由ad835 實現(xiàn)的混頻器電路性能要優(yōu)于采用三極管實現(xiàn)的混頻器電路，因此，采用方案二實現(xiàn)電路。1.3.3 濾波電路方案一：直接采用rc 電路實現(xiàn)窄帶濾波器功能。即直接將r 和c 接成低通加高通或帶通的形式。由于窄帶濾波器的帶寬非常窄，且頻率范圍非常高，因此要實現(xiàn)電路的功能，電路的階數(shù)要很高，電路相對比較繁瑣。方案二：采用運放加分立元件組成的有源濾波電路或者單片集成濾波器。這類濾波器僅適用于低頻范圍，且q值不高，帶外衰減很小。方案三：采

19、用聲表面濾波器。這種濾波器工作頻率和相對帶寬都較寬，但是其帶內(nèi)衰減比較大，一般不低于15db，市場上也難于購買。方案四：采用max297 8階圓型（elliptic）濾波器，它的滾降速度快，從通頻帶到阻帶的過渡帶可以做的很窄。在橢圓型濾波器中，第一個傳輸零點后輸出將隨頻率的變高而增大，直到第二個零點處。這樣重復就會使頻率響應(yīng)呈現(xiàn)波浪形，阻帶從fs算起，高于頻率fs處的增益不會超過fs處的增益。在橢圓型濾波中，通頻帶內(nèi)的增益存在一定范圍的波動。橢圓型濾波器的一個重要參數(shù)就是過渡比。過渡比定義為阻帶頻率fs與拐角頻率（有時也等同為截止頻率）由時鐘頻率確定。時鐘既可以是外接的時鐘，也可以是自己的內(nèi)部

20、時鐘。使用內(nèi)部時鐘時只需外接一個定時用的電容既可。綜上所訴，本設(shè)計采用方案四即橢圓濾波器作為濾波電路。1.3.4 檢波電路方案一：利用二極管和電容即可構(gòu)成一個簡單的檢測電路。這種方法在輸入信號幅度比較大的情況下，輸入電壓峰峰值和輸出電壓呈線性關(guān)系，但若輸入信號幅度較小則變成非線性關(guān)系，測量數(shù)據(jù)不準確。方案二：利用二極管和運放構(gòu)成檢波電路來測量電壓峰峰值。由于運放的存在，該方法很難在高頻環(huán)境下使用。方案三：為了提高檢波精度，選擇mx636作為檢波電路，它的外圍電路只有一個電容值這個電容的選擇很重要，它決定了檢波的精度和穩(wěn)定時間。大電容檢測精度高，放電時間長；小電容會加大檢波電路的輸出電壓的波紋，

21、是檢測精度下降。為了平衡dds的掃頻速度和數(shù)據(jù)采集精度的問題，我們選擇了0.1uf，經(jīng)過檢測的效果比較理想。綜上所述并考慮到實際情況，故本系統(tǒng)采用方案三。1.3.5 掃頻發(fā)生器電路方案一：采用fpga為核心的直接數(shù)字合成技術(shù)?？紤]到所需最高頻率45.7mhz，導致對后級d/a芯片的速度有很高要求，這樣芯片很難購得。方案二：采用spce061a單片機，其特點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，使用方便，使用價值高。綜上所述，本系統(tǒng)采用方案二。1.4 本課題研究的意義從事通信工程的技術(shù)人員，在很多時候需要對信號進行分析，針對不同觀察域，分別用示波器、頻譜分析儀和矢量分析儀觀察信號。示波器只能觀察信號的幅度、周

22、期和頻率；但頻譜分析儀還可以分析信號的頻率分布信息、頻率、功率、諧波、雜波、噪聲、干擾和失真，而矢量分析儀可以在頻譜分析儀基礎(chǔ)上分析數(shù)字調(diào)制信號調(diào)制質(zhì)量。早期的信號觀察，主要依賴示波器在時域內(nèi)觀察信號；傅立葉變換告訴我們：任何時域內(nèi)電信號都是由一個或多個不同頻率、不同幅度和不同相位的正弦波組成的，但應(yīng)用示波器無法觀察到頻域內(nèi)信息，只能在時域內(nèi)觀察；應(yīng)用頻域測量，就能以頻譜的形式顯示出每個正弦波的幅度隨頻率變化的情況。本文采用外差原理設(shè)計并實現(xiàn)頻譜分析儀。利用dds芯片生成10khz步進的本機振蕩器，ad835做混頻器，通過濾波器取出各個頻點（相隔10khz）的值，再配合放大，檢波電路收集采樣值

23、，經(jīng)凌陽單片機spce061a處理，最后送示波器顯示頻譜。測量頻率范圍覆蓋130mhz，可根據(jù)用戶需要設(shè)定顯示頻譜的中心頻率和帶寬，還可以識別調(diào)幅，調(diào)頻和等幅波信號。1.5 本課題設(shè)計思路本文以簡易的頻譜分析儀為研究內(nèi)容，對國內(nèi)外現(xiàn)狀進行詳細的了解后，結(jié)合自己所學知識，以spce061為內(nèi)核，搭建一個簡易的頻譜分析儀。這個頻譜分析儀測量頻率范圍覆蓋130mhz，可根據(jù)用戶需要設(shè)定顯示頻譜的中心頻率和帶寬，還可以識別調(diào)幅，調(diào)頻和等幅波信號。在設(shè)計研制過程中主要解決以下幾個問題： (1)混頻器的設(shè)計：混頻器ad835可以實現(xiàn)250mhz帶寬內(nèi)的混頻，這對于我們的實驗完全滿足要求。而且其輸出幅度在不

24、同頻率值時相對穩(wěn)定，外圍電路也相對簡單，不需要進行復雜的調(diào)零調(diào)試。ad835對小信號的處理精度較高，不易輸出新的頻率分量，所以我們利用ad603將dds輸出的信號適當衰減，將輸入小信號適當放大，再送入乘法器，以獲得最好的相乘效果。(2)濾波器的設(shè)計：本設(shè)計要求頻譜分辨力為10khz，所以每個掃頻點的間隔為10khz。以此頻點作為中心，左右各5khz范圍之內(nèi)為有效值，所以濾波器需要5khz的帶寬。max297為8階開關(guān)電容濾波器，可以實現(xiàn)截止頻率0.1-50khz的可調(diào)，很容易滿足題目的要求。其帶內(nèi)增益平坦，帶外衰減速度很快。(3)本機振蕩器的設(shè)計：本機振蕩器要求產(chǎn)生10khz的步進信號，本系統(tǒng)

25、采用dds集成芯片ad9850。ad9850是高穩(wěn)定度的直接數(shù)字頻率合成器件，內(nèi)部包含有輸入寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)字合成器、10位高速d/a轉(zhuǎn)換器和高速比較器。ad9850高速直接數(shù)字合成器根據(jù)設(shè)定的32位頻率控制字和5位相移控制字，在外接125mhz晶振時，可產(chǎn)生高達40mhz的正弦波信號。(4)掃頻發(fā)生器的設(shè)計：采用spce061a單片機，其特點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，使用方便，使用價值高。2 頻譜分析儀的硬件設(shè)計2.1 頻譜分析儀的整體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用外差原理設(shè)計并實現(xiàn)頻譜分析儀。利用dds芯片生成10khz步進的本機振蕩器，ad835做混頻器，通過濾波器取出各個頻點（相隔10khz）的值

26、，再配合放大，檢波電路收集采樣值，經(jīng)單片機spce061a處理，最后送示波器顯示頻譜。測量頻率范圍覆蓋130mhz，可根據(jù)用戶需要設(shè)定顯示頻譜的中心頻率和帶寬，還可以識別調(diào)幅，調(diào)頻和等幅波信號。整體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。放大 ad603 有效值 檢波器 mx636 濾波器 max297 放大器 op07 混頻器 ad835fi示波器顯示 mcuspce0610a ad603 衰減 數(shù)據(jù)采集 ad9850 本振信號鍵盤及顯示電路圖2.1 簡易頻譜分析儀的整體框圖系統(tǒng)的整體工作流程如下：l 系統(tǒng)采用dds芯片ad9850產(chǎn)生本機振蕩信號，通過單片機控制對其不斷寫入命令字產(chǎn)生頻率可變的正弦掃頻本振信號

27、。l 由于dds輸出信號隨著頻率增加幅度減小，通過放大器op07使輸出信號幅度維持基本不變。乘法器ad835與輸入信號相乘，實現(xiàn)在頻域上的譜線搬移，將輸入信號的頻域譜線搬移到濾波器的通帶內(nèi)。l 濾波后信號通過有效值檢波器mx636檢測其幅值，并將此幅值通過單片機進行數(shù)據(jù)處理后輸出作為對應(yīng)頻率的功率。通過不斷改變掃頻信號的頻率，就可以把輸入信號的各個不同頻率處的譜線都搬移到通帶內(nèi)檢測出來，通過單片機處理后輸出到液晶顯示器，顯示出輸入信號的穩(wěn)定頻譜。2.2 頻譜分析儀的各模塊電路設(shè)計簡易的頻譜分析儀包括本機振蕩器、混頻器、放大器、濾波器、檢波器、掃頻發(fā)生器及電源保護七大模塊，下面將一一介紹這七大部

28、分硬件電路設(shè)計。2.2.1 本機振蕩器模塊 本機振蕩器要求產(chǎn)生10khz的步進信號，本系統(tǒng)采用dds集成芯片ad9850。ad9850是高穩(wěn)定度的直接數(shù)字頻率合成器件，內(nèi)部包含有輸入寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)字合成器、10位高速d/a轉(zhuǎn)換器和高速比較器。ad9850高速直接數(shù)字合成器根據(jù)設(shè)定的32位頻率控制字和5位相移控制字，在外接125mhz晶振時，可產(chǎn)生高達40mhz的正弦波信號。 根據(jù)說明書的電路制作了dds集成板。實際測試dds芯片所產(chǎn)生的信號波形（10mhz）較好，幅度隨著頻率的升高而略有下降，為了滿足ad835小信號混頻性能，后接ad603加以衰減。 在軟件控制上，由于方案要求本振信號

29、以10khz頻率步進增加，所以對ad9850頻率,g調(diào)制字改變也應(yīng)是快速的。ad9850調(diào)制字的裝入可以采用異步串行接口uart，同時兼顧到單片機io口得分配和對調(diào)制字裝入速度的要求，將系統(tǒng)時鐘改成最大值49mhz，以加快掃描和掃描速度。2.2.1.1 ad9850的工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)ad9850內(nèi)含可編程dds系統(tǒng)和高速比較器，可實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成?？删幊蘢ds系統(tǒng)的核心是相位累加器，由一個加法器和一個n位相位寄存器組成，n一般為2432。每來一個外部參考時鐘，相位寄存器便以步長m遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個正弦波周期的數(shù)字幅

30、度信息，每一個地址對應(yīng)正弦波中0360范圍的一個相位點。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅(qū)動dac 輸出模擬量。相位寄存器每過2n/ m 個外部參考時鐘后返回到初始狀態(tài)一次，相應(yīng)地正弦查詢表每經(jīng)過一個循環(huán)也回到初始位置，從而使整個dds 系統(tǒng)輸出一個正弦波。輸出的正弦波頻率fout = m*fc/ 2的n次方，fc 為外部參考時鐘頻率。 ad9850 采用32 位的相位累加器將信號截斷成14 位輸入到正弦查詢表，查詢表的輸出再被截斷成10 位后輸入到dac ，dac 再輸出兩個互補的電流。dac 滿量程輸出電流通過一個外接電阻rset調(diào)節(jié)，典型值3.9千歐。將dac 的輸出

31、經(jīng)低通濾波后接到ad9850 內(nèi)部的高速比較器上即可直接輸出方波。而且在125mhz 的時鐘下, 32 位頻率控制字可使ad9850 輸出頻率分辨率達0. 0291hz 。ad7755是一個24腳芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示，從圖中可以看出，ad7755由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路adc和信號處理電路兩部分組成。adc部分包括兩個采樣速率達900khz的16位二階adc、增益可編程放大器(pga ).基準電壓源等模擬電路。兩個16位adc分別對負載電流和負載電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖2.2為ad9850的組成原理。lpfdac正弦波微控制器相位控 制字相位累加器 比較器正弦查詢表累加 器方波相位寄存器累加

32、 器頻率控制字圖2.2 ad9850組成原理ad9850采用cmos工藝，其功耗在3.3v左右。供電時僅為155mw，擴展工業(yè)級溫度范圍為-4080度，采用28ssop表面封裝形式。ad9850的引腳排列如圖2.3 圖2.3ad9850引腳排列圖 圖2.3 ad9850引腳圖2.2.1.2ad9850的控制字與控制時序ad9850有40 位控制字，32 位用于頻率控制，5 位用于相位控制，1 位用于電源休眠( powerdown) 控制，2位用于選擇工作方式。這40 位控制字可通過并行或串行方式輸入到ad9850 。在并行裝入方式中，通過8 位總線d0 d7將數(shù)據(jù)輸入到寄存器，在w - cl

33、k 的上升沿裝入8位數(shù)據(jù)，并把指針指向下一個輸入寄存器，在重復5 次之后再在fq - ud 上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率/ 相位數(shù)據(jù)寄存器(更新dds 輸出頻率和相位) ， 同時把地址指針復位到第一個輸入寄存器。 ad9850的復位(reset) 信號為高電平有效，且脈沖寬度不小于5 個參考時鐘周期。ad9850的參考時鐘頻率一般遠高于單片機的時鐘頻率，因此ad9850 的復位(reset)端可與單片機的復位端直接相連。2.2.2 混頻器模塊乘法器ad835可以實現(xiàn)250mhz帶寬內(nèi)的混頻，這對于我們的設(shè)計完全滿足要求。而且其輸出幅度在不同頻率值時相對穩(wěn)定，外圍電路也相對簡單，不需

34、要進行復雜的調(diào)零調(diào)試，只需要對z輸入的直流信號進行相對調(diào)整即可。其基本原理如圖2.4所示。其中w=x*y+z。 圖2.4 基本原理框圖ad835對小信號的處理精度較高，不易輸出新的頻率分量，所以我們利用ad603將dds輸出信號適當衰減，將輸入小信號適當放大，再送入乘法器，以獲得最好的相乘效果。在實際測試過程中，我們發(fā)現(xiàn)乘法器的輸出信號幅度會隨信號頻率的升高而略有增加，很好彌補了dds集成芯片ad9805輸出信號的幅度隨著頻率的增加而小幅度降低的缺陷。ad603正是這樣一種具有程控增益調(diào)整功能的芯片。它是美國adi公司的專利產(chǎn)品，是一個低噪、90mhz帶寬增益可調(diào)的集成運放，如增益用分貝表示，

35、則增益與控制電壓成線性關(guān)系，壓擺率為275v/s。管腳間的連接方式?jīng)Q定了可編程的增益范圍，增益在-11+30db時的帶寬為90mhz，增益在+9+41db時具有9mhz帶寬，改變管腳間的連接電阻，可使增益處在上述范圍內(nèi)。該集成電路可應(yīng)用于射頻自動增益放大器、視頻增益控制、a/d轉(zhuǎn)換量程擴展和信號測量系統(tǒng)。2.2.3 放大器模塊op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于op07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于op07a最大為25v），所以op07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。op07同時具有輸入偏置電流低（op07a為2na）和開環(huán)增益高（對于op07a為300v/

36、mv）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得op07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。 圖2.5 op07管腳圖其特點是：超低偏移：150v最大。低輸入偏置電流：1.8na。低失調(diào)電壓漂移：0.5v/ 。 3最大高電源電壓范圍：3v至22v 。1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，2為反向輸入端。3為正向輸入端，4接地。5空腳，6為輸出，7接電源+ 。 圖2.6 典型低頻噪聲放大電路2.2.4 濾波器模塊本設(shè)計要求頻譜分辨力為10khz，所以每個掃頻點的間隔為10khz。以此頻點作為中心，左右各5khz范圍之內(nèi)為有效值，所以濾波器需要5khz的帶寬。max297為8階開關(guān)電容濾波

37、器，可以實現(xiàn)截止頻率0.150khz的可調(diào)，很容易滿足題目的要求。其帶內(nèi)增益平坦，帶外衰減速度很快。max297的1管腳的clk信號可以外接一個電容實現(xiàn)截止頻率的選擇： 這樣可以根據(jù)max297的截止頻率和clk的比值為1:50的關(guān)系確定截止頻率fc，經(jīng)過實際測試選擇120pf可以實現(xiàn)5khz的截頻，滿足題目的頻譜分辨力要求。如圖2.7所示。 圖2.7 由max297所組成的截止頻率為5khz的lpf(1)max297的功能特點max293/294/297為8階圓型（elliptic）濾波器，它的滾降速度快，從通頻帶到阻帶的過渡帶可以作得很窄。在橢圓型濾波器中，第一個傳輸零點后輸出將隨頻率的變

38、高而增大，直到第二個零點處。這樣幾番重復就使阻事賓頻響呈現(xiàn)波浪形，阻帶從fs起算起，高于頻率fs處的增益不會超過fs處的增益。在橢圓型濾波中，通頻帶內(nèi)的增益存在一定范圍的波動。橢圓型濾波器的一個重要參數(shù)就是過渡比。過渡比定義為阻帶頻率fs與拐角頻率（有時也等同為截止頻率）由時鐘頻率確定。時鐘既可以是外接的時鐘，也可以是自己的內(nèi)部時鐘。使用內(nèi)部時鐘時只需外接一個定時用的電容既可。在max29x系列濾波器集成電路中，除了濾波器電路外還有一個獨立的運算放大器。用這個運算放大器可以組成配合max29x系列濾波器使用后的濾波、反混濾波等連續(xù)時間低通濾波器。下面歸納一下它們的特點： 全部為8階低通濾波器。

39、max291/max295為巴特沃思濾波器；max292/296為貝塞爾濾波器；max293/294/297為橢圓濾波器。 通過調(diào)整時鐘，截止頻率的調(diào)整范圍為：0.1hz25khz（max291/292/293*294）；0.1hzkhz（max295/296/297）。 既可用外部時鐘也可用內(nèi)部時鐘作為截止頻率的控制時鐘。 時鐘頻率和截止頻率的比率：101(max291/292/293/294);501(max295/296/297)。 既可用單+5v電源供電也可用5v雙電源供電。 有一個獨立的運算放大器可用于其它應(yīng)用目的。 8-pin dip、8-pin so和寬so-16多種封裝。(2)

40、max297獨立運算放大器的用法max29x中都設(shè)計有一個獨立的運算放大器，這個放大器和濾波器的實現(xiàn)無直接關(guān)系，用這個放大器可組成一個一階和二階濾波器，用于實現(xiàn)max29x之前的反混疊濾波功能鄞max29x之后的時鐘噪聲抑制功能。這個運算放大器的反相端已在內(nèi)部和gnd相連。 圖2.8是用該獨立運放組成的2階低通濾波器的電路，它的拐角頻率為10khz，輸入阻抗為22，可滿足max29x形狀電容濾波器的最小負載要求（max29x的輸出負載要求不小于20k）可以通過改變r1、r2、r3、c1、c2的元件值改變拐角頻率。圖2.8 2階低通濾波器電路連接圖2.2.5 檢波器模塊 為了提高檢波精度，選擇m

41、x636作為檢波電路，它的外圍電路只有一個電容值（見圖2.9）。這個電容的選擇很重要，它決定了檢波的精度和穩(wěn)定時間。大電容檢測精度高，放電時間長；小電容會加大檢波電路的輸出電壓的波紋，是檢測精度下降。為了平衡dds的掃頻速度和數(shù)據(jù)采集精度的問題，我們選擇了0.1uf，效果經(jīng)過檢測比較理想。圖2.9 mx檢波電路原理圖 2.2.6 掃頻發(fā)生器模塊（1） 本設(shè)計的掃頻發(fā)生器采用spce061a單片機，其特點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，使用方便，使用價值高。其基本性能如下：可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波等幾種周期信號；可以用鍵盤編輯生成正弦波、方波、三角波這三種信號的線性組合。增加外部存儲器可以方

42、便的是現(xiàn)信號存儲功能，即有記憶功能系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能信號存儲功能可存儲掉電前用戶編輯的信號和設(shè)置；可實現(xiàn)用鍵盤編輯產(chǎn)生任意信號。 （2）spce061a簡介：spc061a 是繼nsp系列產(chǎn)品spce500a等之后凌陽科技推出的又一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與spce500a不同的是，在存儲器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能，spce061a里只內(nèi)嵌32k字的閃存（flash）。較高的處理速度使nsp能夠非常容易地、快速地處理復雜的數(shù)字信號。因此，與spce500a相比，以nsp為核心的spce061a微控制器是適用于數(shù)字語音識別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟的選擇。spce0

43、61a在2.6v3.6v工作電壓范圍內(nèi)的工作速度范圍為0.32mhz49.152mhz，較高的工作速度使其應(yīng)用領(lǐng)域更加拓寬。spce061a是數(shù)字聲音和語音識別產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟的應(yīng)用。spce061a結(jié)構(gòu)圖如2.10所示。 圖2.10 spce061a結(jié)構(gòu)圖(3) spce061a性能：16位s18nsps18微處理器；工作電壓：vdd為2.63.6v(cpu), vddh為vdd5.5v(i/o)；cpu時鐘：0.32mhz49.152mhz ；內(nèi)置2k字sram；內(nèi)置32k閃存rom；可編程音頻處理；晶體振蕩器；系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時鐘處于停止狀態(tài))，耗電小于2s18 a3.6v；2個16

44、位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預置初始計數(shù)值)；2個10位dac(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道；32位通用可編程輸入/輸出端口；14個中斷源可來自定時器a / b，時基，2個外部時鐘源輸入，鍵喚醒；7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風放大器和自動增益控制(agc)功能；(4)spce061a系統(tǒng)時鐘：系統(tǒng)時鐘的信號源為pll振蕩器。系統(tǒng)時鐘頻率(fosc)和cpu時鐘頻率(cpuclk)可通過對p_systemclock(寫)($7013h)單元編程來控制。默認的fosc、cpuclk分別為24.576mhz和fosc/8。用戶可以通過對p

45、_systemclock單元編程完成對系統(tǒng)時鐘和cpu時鐘頻率的定義。當系統(tǒng)被喚醒后最初時刻的cpuclk頻率亦為fosc/8，隨后逐漸被調(diào)整到用戶設(shè)定的cpuclk頻率。這樣，可避免系統(tǒng)在喚醒初始時刻讀rom出現(xiàn)錯誤。(5)spce061a中斷：spce061a具有兩種中斷方式：快速中斷請求fiq(fast interrupt request)中斷和中斷請求irq(interrupt request)中斷。中斷控制器可處理3種fiq中斷和14種irq中斷，以及一個由指令break控制的軟中斷。 相比之下，fiq中斷的優(yōu)先級較高而irq中斷的優(yōu)先級較低。也就是說，fiq中斷可以中斷irq中斷服

46、務(wù)子程序的執(zhí)行，而cpu執(zhí)行相應(yīng)的fiq中斷服務(wù)子程序的過程不能被任何中斷源的中斷請求中斷。(6) spce061a輸入輸出口：輸入輸出端口是系統(tǒng)與其它設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換的接口。spce061a具有兩個可編程輸入輸出端口：a口和b口。a口既是具有可編程喚醒功能的普通i/o口，又可與adc的多路line_in輸入共用(ioa60與line_in17共用；b口除了具有普通i/o口的功能外，在特定的管腳上還可以完成一些特殊的功能。 盡管數(shù)據(jù)能通過數(shù)據(jù)端口p_iox_data和數(shù)據(jù)緩沖器端口p_iox_buffer寫入相同的數(shù)據(jù)寄存器，但從這兩個端口讀出的數(shù)據(jù)卻來自不同的位置；從后者讀出的仍是數(shù)據(jù)寄存器

47、里的數(shù)據(jù)，而從前者讀出的是i/o管腳上的電平狀態(tài)。ioa70口為鍵喚醒源，通過讀p_ioa_latch單元來鎖存ioa70端口的電平狀態(tài)，從而可激活其喚醒功能。當ioa70口的狀態(tài)和鎖存時的狀態(tài)不一致時，會觸發(fā)系統(tǒng)由節(jié)電的睡眠工作模式切換到喚醒模式。 (7)spce061a定時器/計數(shù)器：spce061a提供了兩個16位的定時器/計數(shù)器：timera和timerb。timera為通用計數(shù)器；timerb為多功能計數(shù)器。timera的時鐘源由時鐘源a和時鐘源b進行“與”操作而形成；timerb的時鐘源僅為時鐘源a。定時器發(fā)生溢出后會產(chǎn)生一個溢出信號(taout/tbout)。一方面，它會作為定時

48、器中斷信號傳輸給cpu中斷系統(tǒng)；另一方面，它又會作為4位計數(shù)器計數(shù)的時鐘源信號，輸出一個具有4位可調(diào)的脈寬調(diào)制占空比輸出信號apwmo或bpwmo(分別從iob8 和iob9輸出)，用來控制馬達或其它一些設(shè)備的速度。此外，定時器溢出信號還可以用于觸發(fā)adc輸入的自動轉(zhuǎn)換過程和dac輸出的數(shù)據(jù)鎖存。 向定時器的p_timera_data(讀/寫)($700ah)單元或p_timerb_data(讀/寫)($700ch)單元寫入一個計數(shù)值n后，選擇一個合適的時鐘源，定時器/計數(shù)器將在所選的時鐘頻率下開始以遞增方式計數(shù)n，n+1，n+2，0xfffe，0xffff。當計數(shù)達到0xffff后，定時器/

49、計數(shù)器溢出，產(chǎn)生中斷請求信號，被cpu響應(yīng)后送入中斷控制器進行處理。同時，n值將被重新載入定時器/計數(shù)器并重新開始計數(shù)。 在timera內(nèi)，時鐘源a是一個高頻時鐘源，時鐘源b是一個低頻時鐘源。時鐘源a和時鐘源b的組合，為timera提供出多種計數(shù)速度。若以clka作為門控信號，1表示允許時鐘源b信號通過，而0則表示禁止時鐘源b信號通過而停止timera的計數(shù)。例如，如果時鐘源a為“1”，timera時鐘頻率將取決于時鐘源b；如果時鐘源a為“0”，將停止timera的計數(shù)。ext1和ext2為外部時鐘源。 (8) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器spce061a有8個10位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器通道，其中7個通道用

50、于將模擬量信號 (例如電壓信號) 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號, 可以直接通過引線(ioa06)輸入。另外有一個通道只作為語音輸入通道，通過內(nèi)置有自動增益控制放大器的麥克風通道(mic_in)輸入。實際上可以把adc看作是一個實現(xiàn)模/數(shù)信號轉(zhuǎn)換的編碼器。 (9)掃頻發(fā)生器工作原理：信號發(fā)生電路原理框圖如圖2.11所示。該信號發(fā)生器采用spce06la芯片作為系統(tǒng)的cpu，配以少量的外圍接口芯片，構(gòu)成單片機的最小控制系統(tǒng)。5v電源經(jīng)二極管降壓后得到3.6v電壓用作單片機電源。人機對話部分用a口組成鍵盤及數(shù)碼管顯示(圖中略去未畫)；信號輸出部分用spce06la提供的2個10位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，即dacl和dac

51、2，以及外部運放電路組成。 圖2.11 掃頻信號發(fā)生器電路原理圖信號生成過程如下：將生成信號的數(shù)據(jù)寫入dac1后，數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量經(jīng)dac1引線端輸出，輸出電流加在電阻r9上形成信號電壓，信號電壓經(jīng)運放u2a組成的跟隨器輸入數(shù)字電位器dp1(max5400)的高端，數(shù)字電位器dp1將分壓后信號輸入由運放u2c組成的跟隨器后輸入由運放u2d組成的運算放大器放大后輸出。由于單片機的dac只能輸出電流，在電阻r9上形成的信號電壓始終0，要輸出正反相信號需調(diào)整信號信號的電平，為此，利用dac2輸出電流加在電阻r8上形成偏置電壓，經(jīng)由運放u2a組成的反相器形成負偏置電壓(vr)后，加在輸出放大器u2d

52、輸入端，達到調(diào)整輸出信號電平的目的。2.2.7 電源保護模塊由于本系統(tǒng)各模塊對電源的要求不一致，若各種電源值都由外部分別提供，則電源接口會顯得很復雜，所以在電源設(shè)計上，本方案使用了穩(wěn)壓三極管。外部只提供正負16伏的電源，+15v用7815分壓得到；- 15v用7915分壓得到；+5v用7805分壓得到；- 5v用7905分壓得到。另外，為了防止用戶誤將電源反接而損毀系統(tǒng)內(nèi)部芯片，我們在電源的入口接了一個二極管，負極接正電源，正極接負電源，若電源反接，接口電壓會限制在二極管的導通壓降0.7v，保證了整個電路安全。如圖2.12所示。圖2.12 電源分壓及保護電路3 軟件設(shè)計3.1 軟件設(shè)計要求1.

53、可測試性系統(tǒng)軟件的可測試性有兩個方面的含義:其一是較容易準確制定出測試結(jié)果，并根據(jù)對軟件進行測試；其二是軟件設(shè)計工作完成之后，首先在模擬環(huán)境下運行，經(jīng)過靜態(tài)分析和動態(tài)分析仿真運行，證明準確無誤后才可以投入實際使用。2.可靠性它是系統(tǒng)軟件最為重要的指標之一，該要求有兩層意義：第一是運行參數(shù)環(huán)境改變時，軟件能可靠地運行并能給出正確的結(jié)果，即要求軟件具有自適應(yīng)性；第二是在環(huán)境惡劣、干擾嚴重的情況下，軟件必須保證系統(tǒng)能可靠的運行，這對系統(tǒng)的整體可靠運行尤其的重要。3.準確性這對整個系統(tǒng)具有重要的意義，對頻譜分析儀而言就更具有實際的意義，其結(jié)果的準確程度是直接關(guān)系到用戶的切身利益。因此，在算法選擇上和位

54、數(shù)選擇方面滿足實際要求、運算結(jié)果要符合國家相關(guān)的技術(shù)標準。4.實時性實時性是頻譜分析儀的普遍要求。近年來，由于硬件的集成度與速度的提高，配合相應(yīng)的軟件，實時性容易滿足要求，特別是對于匯編語言編制的軟件。5.易理解易維護性軟件系統(tǒng)容易閱讀和理解，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤，容易修改和補充。由于生產(chǎn)過程自動化程度的不斷提高，測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)日趨復雜，設(shè)計人員很難在短時間內(nèi)就對整個系統(tǒng)理解無誤，軟件的設(shè)計與調(diào)試不可能一次就很順利的完成，有些問題是在運行的過程中逐步的暴露出來的，這樣就要求編制的軟件能夠易于理解和修改，在軟件的設(shè)計方法中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計是一種最好的設(shè)計方法，這種設(shè)計方法是從整體到局部，然后由局部再到細節(jié)，先