简易频谱分析仪(附源程序)Word格式.doc
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关键词频谱分析,混频,滤波,外差原理
Abstract
Spectrumanalyzertomeasurethesignalisthebasicfunctionoftheamplitude/frequencyresponsecanbefinishedsuchasspectrumcompositionanalysis,distortionmeasuring,modulationsignalspectrumanalysis,signalattenuationmeasure,electroniccomponentgainmeasurements.Basicworkingprincipleis,sweepfrequencythisthevibrationofthefrequencywiththeoutputofsawtoothwavegeneratorinacertainrangeofdifferentfrequencyscanning,maketheinputsignalandtheresonancefrequencymixing,ordinalfallwithinbandpassfilterbandwidthresolution,furtheramplification,afterdetectionofamplifier,highlightsaddedtoYinscreenisproportionaltotheverticalmigrationoftheamplitudefrequencycomponents.Duetoscanvoltageinmodulationoscillator,andmeanwhile,thuscandriveXamplifierisshownonthescreeninthespectrumofthemeasuredsignalquilt.
Thispaperadoptsheterodyneprincipledesignandrealizethespectrumanalyzer.Use10KHZDDSchipgenerationstepofthismachineoscillators,AD835domixers,throughthefilterremoveeachfrequency(10KHZ)valueapart,coupledwithamplifier,detectioncircuittocollectsamplesvaluesofsunplusSPCE061AprocessingbyMCU,finallysendoscilloscopedisplayspectrum.Measurefrequencyrangecovers1-30MHZaccordingtouserneedtosetthedisplayspectrumofcenterfrequencyandbandwidth,stillcanidentifyam,FMandamplitudewavesignal.
KEYWORDSSpectralanalysis,mixing,smoothing,heterodyneprinciple
目录
摘要 I
Abstract II
1绪论 -1-
1.1频谱分析仪的简介 -1-
1.2总体设计方案比较 -2-
1.3底层电路方案比较与选择 -2-
1.3.1本机振荡电路 -2-
1.3.2混频电路 -3-
1.3.3滤波电路 -3-
1.3.4检波电路 -3-
1.3.5扫频发生器电路 -4-
1.4本课题研究的意义 -4-
1.5本课题设计思路 -4-
2频谱分析仪的硬件设计 -6-
2.1频谱分析仪的整体结构 -6-
2.2频谱分析仪的各模块电路设计 -7-
2.2.1本机振荡器模块 -7-
2.2.2混频器模块 -9-
2.2.3放大器模块 -9-
2.2.4滤波器模块 -10-
2.2.5检波器模块 -12-
2.2.6扫频发生器模块 -13-
2.2.7电源保护模块 -16-
3软件设计 -18-
3.1软件设计要求 -18-
3.2主程序的软件设计 -19-
4系统调试与指标测试 -20-
4.1硬件调试 -20-
4.2软件调试 -20-
4.3软硬联合调试 -20-
4.4指标测试 -20-
4.4.1仪器测试 -20-
4.4.2指标测试 -20-
结论 -23-
致谢 -24-
参考文献 -25-
附录 -26-
III
1绪论
1.1频谱分析仪的简介
频谱分析仪是对无线电信号进行测量的必备手段,是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具,在各种振动、噪声、电声、发动机、建筑、生物、医学等领域也起着重要作用。
因此,频谱分析仪的应用十分广泛,被称为工程师的射频万用表。
频谱仪被誉为射频领域的示波器,现代频谱仪不仅具有传统的频谱分析功能,而且通过扩展选件,可以集成功率计、频率计、标量/矢量网络分析仪、信号分析、通信测试仪等众多仪器的主要功能,堪称射频测试的集大成者,拥有一台高性能频谱仪,即可完成大部分射频测试、信号分析功能。
现代实时频谱仪的出现,进一步将频谱仪的应用领域扩展到快速变化的瞬态信号测试、实时带宽信号分析中。
传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机,输入信号经变频器变频后由低通滤器输出,滤波输出作为垂直分量,频率作为水平分量,在示波器屏幕上绘出坐标图,就是输入信号的频谱图。
由于变频器可以达到很宽的频率,例如30Hz-30GHz,与外部混频器配合,可扩展到100GHz以上,频谱分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一。
无论测量连续信号或调制信号,频谱分析仪都是很理想的测量工具。
但是,传统的频谱分析仪也有明显的缺点,它只能测量频率的幅度,缺少相位信息,因此属于标量仪器而不是矢量仪器。
基于快速傅里叶变换(FFT)的现代频谱分析仪,通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量,达到与传统频谱分析仪同样的结果。
这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样,再经FFT处理后获得频谱分布图。
在这种频谱分析仪中,为获得良好的仪器线性度和高分辨率,对信号进行数据采集时ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍,亦即频率上限是100MHz的实时频谱分析仪需要ADC有200MS/S的取样率。
目前半导体工艺水平可制成分辨率8位和取样率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取样率800MS/S的ADC,亦即,原理上仪器可达到2GHz的带宽,为了扩展频率上限,可在ADC前端增加下变频器,本振采用数字调谐振荡器。
这种混合式的频谱分析仪可扩展到几GHz以下的频段使用。
FFT的性能用取样点数和取样率来表征,例如用100KS/S的取样率对输入信号取样1024点,则最高输入频率是50KHz和分辨率是50Hz。
如果取样点数为2048点,则分辨率提高到25Hz。
由此可知,最高输人频率取决于取样率,分辨率取决于取样点数。
FFT运算时间与取样,点数成对数关系,频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时,要选用高速的FFT硬件,或者相应的数字信号处理器(DSP)芯片。
例如,10MHz输入频率的1024点的运算时间80μs,而10KHz的1024点的运算时间变为64ms,1KHz的1024点的运算时间增加至640ms。
当运算时间超过200ms时,屏幕的反应变慢,不适于眼睛的观察,补救办法是减少取样点数,使运算时间降低至200ms以下。
1.2总体设计方案比较
方案一:
FFT法。
这种频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样,再经FFT处理后获得频谱分布图。
它的频率范围受到ADC采集速率和FFT运算速度的限制。
为获得良好的仪器线性度和高分辨率,ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍。
FFT运算时间与取样点数成对数关系,频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时,要选用高速的FFT硬件,或者相应的数字信号处理器(DSP)芯片。
可见这种方法的优点是硬件电路简单,主要依靠软件运算,可以提高分辨率。
其缺点是频率越高,对ADC和DSP芯片的速度要求越高,相应价格也越昂贵。
方案二:
分段FFT。
这种方法将输入信号分段,逐段进行FFT的处理,这样分段取样降低了对ADC和FFT硬件的速度要求,又可以在相对窄的频段内得到更高的频谱分辨率。
但是这种方法在软件和硬件的设计和测试上显然要复杂很多,尤其是在1M-30MHz如此宽的频段范围内。
方案三:
扫频法。
这种频谱分析仪采用外差原理,由本机振荡器产生一定步进频率的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。
本机振荡信号可以达到很宽的频率,与外部混频器配合,可扩展到很高频率。
这种方法的突出优点是扫频范围大,硬件成本低廉,但这种方法对硬件电路要求较高,各模块性能都需要精心设计,且连接在一起整体调试时有一定难度。
而且它只适于测量稳态信号的频率幅度,但获得测量结果要花费较长的时间。
根据实际条件和成本上的考虑,在满足题目要求的前提下,我们选择方案三来实现频谱分析仪的总体设计。
1.3底层电路方案比较与选择
底层电路方案设计包括本机振荡模块,混频模块,扫频模块,滤波模块和检波模块方案设计。
1.3.1本机振荡电路
方案一:
采用DDS信号发生器来产生本征频率。
其实现方法是:
利用单片机波表到FPGA的RAM中,然后将波表数据输出到D/A中,通过D/A转换而得到。
该方法实现简单,只需要一片DA芯片就可以了,但由于此方法只能产生频率较低的正弦波,对题目中所要求的1MHz-30MHz频率范围的正弦波产生比较困难,因此舍弃该方法。
方案二
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- 简易 频谱 分析 源程序