简易频谱分析仪

简易频谱分析仪

摘要：本系统采用TI 公司的16位单片机MSP430F149作为控制核心，采用外差原理设计并实现频谱分析仪，基于DDS 技术得到10 kHz 步进的本机振荡器，采用AD835进行混频，通过低通滤波器取出差频信号分量，再配合放大、检波电路得到各个频点的信号有效值。单片机MSP430F149与扫频同步输出锯齿波扫描电压，利用示波器X-Y 方式显示信号频谱分布。测量频率范围覆盖1MHz-30MHz ，可设定中心频率和带宽，还可以识别调幅，调频和等幅波信号。

关键词：MSP430F149，DDS ，混频，频谱分析

一、 系统方案

1. 方案比较与选择 1.1频谱分析仪的实现

方案一 ：模拟式频谱分析仪

模拟方式的频谱仪以模拟滤波器为基础，通常有并行滤波法、顺序滤波法，可调滤波法、扫描外差法等实现方法，现在广泛应用的模拟频谱分析仪设计方案多为扫描外差法，此方案原理框图如图1：

U 图1 模拟外差式频谱仪原理框图

图中的扫频振荡器是仪器内部的振荡源，当扫频振荡器的频率f L 在一定范围内扫动时，输入信号中的各个频率分量f x 在混频器中产生差频信号（f o = f x -f L ），依次落入窄带滤波器的通带内（这个通带是固定的），获得中频增益，经检波后加到Y 放大器，使亮点在屏幕上的垂直偏移正比于该频率分量的幅值。由于扫描电压在调制振荡器的同时，又驱动X 放大器，

从而可以在屏幕上显示出被测信号的线状频谱图。这是目前常用模拟外差式频谱仪的基本原理。模拟外差式频谱仪具有高带宽和高频率分辨率等优点，但是模拟器件调试复杂，短期实现有难度。

方案二：数字式频谱分析仪

数字式频谱仪通常使用高速A/D 采集当前信号，然后送入处理器处理，最后将得到的各频率分量幅度值数据送入显示器显示，其组成框图如图3：

图3 数字式频谱仪组成框图

信号经高速A/D 采集送入处理器，通过硬件乘法器与本地由DDS 产生的本振扫频信号混频，变频后信号不断移入低通数字滤波器，然后提取通过低通滤波器的信号幅度，根据当前频率和提取到的幅度值，即可以绘制当前信号频谱图。但缺点是频率越高，对DSP 芯片的速度要求越高，相应价格也越昂贵。

根据实际条件和成本上的考虑，在满足题目要求的前提下，我们选择方案一

实现频谱分析仪。 2. 系统设计方案

本系统以MSP430单片机为核心，采用外差原理实现频谱分析仪，将输入信号加到混频器上与本振信号混频后，再经过低通滤波器将落入低频段的信号提取出来。

系统原理框图如图4所示，经由单片机控制DDS 产生的本机振荡频率f L ，与输入信号f x 分别作为乘法器的两个输入端，产生两种频率的信号（f L -f x ）和（f L +f x ），通过低通滤波器后滤掉和频信号，再通过检波器检波得到滤波后的幅值信息，作为Y 方向的信号输入到示波器，同时利用单片机产生同步的锯齿波信号作为X 信号送到示波器，此时利用XY 方式显示的波形即为输入信号的频谱特性。

图4 系统原理框图

二、 理论分析与计算

被测信号的电压

cos x x x u u w t = （1）

扫频信号的电压

cos L L L u u w t = （2）

经混频器得到

1

[cos()cos()]2

x L x L L x L x u u u u w w t w w t =++- （3）

经低通滤波器得到

1

c o s ()2

o x L L

x u u u w w t =- （4） 三、 电路与程序设计

1. 电路设计

1.1 MSP430单片机系统设计

以TI 公司的高性能低功耗单片机MSP430F149为核心，设计了键盘和显示电路。采用TI 公司的电源稳压芯片REG1117-3.3为单片机模块供电，采用TI 公司的74HC573锁存器实现数码管动态显示的位选和段选信号锁存，电路设计具有模块化特点，便于与其他单元进行接口，在本系统中，为完成对各个正弦信号的幅度测量，采用AD637实现有效值检波，利用MSP430单片机内部的12位

A/D 转换器对检波结果进行采集，根据正弦信号幅值与有效值之间的固有关系，由MSP430以软件方式将有效值转换为峰值，通过液晶12864完成幅度的数字显示。

1.2正弦信号发生器

频率测量范围是1M-3MHz ，对于这么宽的高频带，本系统采用AD9850集成DDS 芯片实现， AD9850是高稳定度的直接数字频率合成器件，内部含有输入寄存器、数据寄存器、数字合成器、10位高速D/A 转换器和高速比较器。AD9850高速直接数字合成器(DDS)核心根据设定的32位频率控制字和5位相移控制字，在外接125MHz 晶振时，可产生高达40MHz 的正弦信号。

根据AD9850说明书的电路制作DDS 集成板。实际测试的DDS 所产生的信号波形（10MHz 以下）较好，幅度随着频率升高而略有下降。AD9850的原理方框图如图5所示。

图5 AD9850的组成框图

1.3混频器

乘法器AD835可以实现250MHz 带宽内的混频，这对于我们的设计完全满足要求。而且其输出幅度在不同频率值时相对稳定，外围电路也相对简单，不需要进行复杂的调零调试，只需要对Z 的直流输入进行相对调整即可。其基本原理框图如图2.3所示。其中W=XY+Z 。

图6 乘法器原理图

1.4有效值检波器

该模块采用的是AD637，AD637是一块高精度单片TRMS/DC转换器，可以计算各种复杂波形的真有效值。由于采用，峰值系数补偿在测量峰值系数高达10的信号时附加误差仅为1% 。频带宽度在2V输入时可达8MHz。由于AD637芯片可以对输入的正弦信号峰值直接计算并输出其有效值，因此可以采用该芯片实现信号的峰值检测。其电路实现如图7所示：

图7 有效值检波电路图

1.5D/A转换器

采用TLC7528和两片OP07构成D/A转换器，其原理图如图8所示。整个2处用到D/A转换器，分别将单片机输出的数字量转换成模拟量，传送到示波器的X轴和Y轴。

o

图8 D/A转换器原理图

1.6滤波电路

为设计通带平坦而截止特性优良的低通滤波器，利用FilterLab 2.0软件，分别为各个不同频率的方波信号设计了相应的四阶巴特沃斯低通滤波器，混频器输出中包含有乘法器的两个输入端信号的和差分量，需要通过滤波器选出需要的频谱分量，抑制掉其它不需要的信号。

题目要求频谱分辨率位10KHz，所以每个扫频点的时间间隔为10KHz，及滤波器的带宽要小于10KHz，对于低通滤波器，以此数值作为截止频率，所以