簡易頻譜分析儀課程設計

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　發(fā)任務書日期: 2011 年 12 月 19 日</p><p>　　課 程 設 計 任 務 書</p><p>　　課 程 設 計 任 務 書</p><p><b>　　測控電路設計</b></p>

2、<p>　　專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器</p><p><b>　　班 級：</b></p><p><b>　　姓 名：</b></p><p><b>　　學 號8</b></p><p><b>　　設計說明書</b></p>

3、;<p><b>　　1.總體設計思路</b></p><p>　　本系統(tǒng)利用SPCE061A單片機作為主控制器，采用外差原理設計并實現(xiàn)頻譜分析儀：本機振蕩器采用DDS芯片AD9850，AD835做集成混頻器，通過開關電容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，經(jīng)主控制器SPCE061A處理，最后送示波器顯示頻譜。測量頻率范圍覆蓋1MHz-30

4、MHz。</p><p>　　圖1 系統(tǒng)總體設計框圖</p><p>　　2.系統(tǒng)硬件電路的設計</p><p>　　2.1單片機主控制系統(tǒng)　　本系統(tǒng)選用SPCE061A單片機作為主控制器，進行信號處理和控制人機交互。SPCE061A是一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。在存儲器資源方面，SPCE061A內(nèi)嵌32K字的閃存（Flash），可供存儲掃描所得的頻率點幅值，而不

5、用外置存儲器，節(jié)省了存儲時間，方便對數(shù)據(jù)進行處理；在處理速度方面，它的CPU時鐘為0.32MHz～49.152MHz，較高的處理速度使其能夠非常容易地、快速地處理復雜的數(shù)字信號；32位通用可編程輸入/輸出端口便于與外圍器件相連；7通道10位電壓模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)可供采集樣值。2.2 DDS集成芯片　 本系統(tǒng)中選用AD9850 DDS集成芯片完成DDS本振。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)

6、寄存器、數(shù)字合成器（DDS）、10位高速D/A轉(zhuǎn)換器和高速比較器。AD9850高速的直接數(shù)字合成器（DDS）核心根據(jù)設定的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)AD9850說明書的電路制作了DDS集成板。實際測試DDS的芯片所產(chǎn)生的信號波形</p><p>　　2.3 混頻器　　乘法器AD835可以實現(xiàn)250MHz帶寬內(nèi)的混頻，這對于我們的

7、設計完全滿足要求。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，不需要進行復雜的調(diào)零調(diào)試，只需要對Z的直流輸入進行相對調(diào)整即可。</p><p>　　其中W=X×Y+Z。 圖2 AD835原理框圖</p><p>　　AD835對小信號的乘法精度較高，不易輸出新的頻率分量，所以我們利用AD603將DDS輸

8、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。電路連接如圖3所示。</p><p>　　圖3 帶寬90MHz、增益可控的AD835信號放大電路 </p><p>　　2.4 濾波器　　本設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階開關電容濾

9、波器，可以實現(xiàn)截止頻率0.1～50KHz的可調(diào)。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：</p><p>　　這樣可以根據(jù)MAX297的截止頻率和clk的比值為1:50的關系確定截止頻率fc，經(jīng)過實際測試選擇120 pF可以實現(xiàn)5KHz的截止頻率，滿足題目的頻譜分辨率要求。如圖4所示。</p><p>　　圖4 由MAX2

10、97所組成的截止頻率為5KHz的LPF</p><p>　　2.5 檢波電路　　為了提高檢波精度，我們選擇了MX636作為檢波電路，其電路原理圖如圖5，它的外圍電路只有一個電容。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，使檢測精度下降。為了平衡DDS的掃描速度和數(shù)據(jù)采集精的問題，我們選擇了0.1uF的電容。 圖5&

11、#160; MX636檢波電路原理圖</p><p>　　2.6 電源管理及保護　　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，所以在電源設計上，本方案使用了各種穩(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

12、，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2.7所示。</p><p>　　圖6   電源分壓及保護電路</p><p>　　2.7鍵盤及顯示電路　　本設計中采用普通的4×4鍵盤，其功能示意圖如圖7。</p><p>　　圖7 

13、  鍵盤功能示意圖</p><p>　　按鍵功能說明：· 0～9和"."為普通數(shù)字輸入。· "MHz"為設置頻率和帶寬的單位。 · "Start/Return"為新輸入信號后啟動測量和界面切換鍵。· "Set Fo"和"Set W"分別為設置中心頻率和設置掃

14、描帶寬鍵。· "頻標顯示"決定是否顯示出頻標?！　★@示模塊采用市場上常見的FM1602C液晶顯示模塊?！　∫壕辽蠒胁僮髦甘?，可按響應按鍵，使得操作簡單易懂。</p><p>　　3.系統(tǒng)軟件的設計　　在軟件控制上，由于方案要求產(chǎn)生的10KHz頻率步進增加，所以對AD9850頻率調(diào)制字改變也應是快速的。AD9850調(diào)制字（Tuning Words）的裝入采用異步串行接口UA

15、RT，同時兼顧到單片機I/O口的分配和對調(diào)制字裝入速度的要求，為了加快掃頻和掃描速度，將系統(tǒng)時鐘改成最大值49MHz，以加快掃頻和掃描速度?！　×硗猓捎谟布杉到y(tǒng)無法達到全頻段的穩(wěn)定性，在收集頻譜樣值后我們通過軟件對其進行一定的校準處理：根據(jù)固定輸入信號的幅值，對全頻段掃描結(jié)果并記錄比較，設計校準曲線，來達到良好的穩(wěn)定性，彌補硬件頻率失真帶來的誤差，提高頻譜測量儀的精度。軟件還對數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)頻譜特性判別是AM、FM或單頻波，

16、計算調(diào)制深度或調(diào)頻系數(shù)。其主程序流程圖如圖8。</p><p>　　圖8   主程序流程圖</p><p>　　4.設計心得　　本設計利用外差原理實現(xiàn)了對信號頻譜分析的功能，覆蓋了1MHz-30MHz的頻譜范圍。對電壓值的標定采用對比法，能得到很高的測量幅度精度。利用示波器顯示頻譜值，并可根據(jù)使用需要設置中心頻率和顯示帶寬?！　昧思啥容^高的芯片作為個功能模塊

17、，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。在設計中各模塊的設計都很重要，只有掌握好各種芯片的性能指標，使每級輸入的幅度和頻率都適合才能使他們發(fā)揮最好的效果，并且一定要注意各級的級聯(lián)，它會影響整個系統(tǒng)的性能。</p><p><b>　　5.參考文獻</b></p><p>　　全國大學生電子設計競賽訓練教程 黃智偉主編 電子工業(yè)出版社</p>