基于单片机的频谱仪设计

基于单片机的频谱仪设计

发表时间：2019-08-15T15:40:29.510Z 来源：《信息技术时代》2018年12期作者：唐弟杨艺敏

[导读] 频谱仪以STM32F103单片机作为主控电路，包含程控衰减模块HMC624，滤波模块、混频模块ADL5801、固定增益放大模块

adl5611、检波模块ad8310，利用锁相环芯片ADF4351生成系统扫频信号发生器，输出的信号频率范围为35MHz到400MHz以上。

（桂林电子科技大学信息科技学院，广西桂林 541000）

项目支持：2017年大学生创新创业项目“便携式简易频谱仪的设计”，项目编号：201713644035

摘要：频谱仪以STM32F103单片机作为主控电路，包含程控衰减模块HMC624，滤波模块、混频模块ADL5801、固定增益放大模块adl5611、检波模块ad8310，利用锁相环芯片ADF4351生成系统扫频信号发生器，输出的信号频率范围为35MHz到400MHz以上。频谱仪采用两级混频，然后通过检波器对第二中频信号进行模拟检波，输出直流信号给STM32的ADC脚进行采集并处理，此外由程控衰减进行参考电平的调节，最后通过TFT液晶屏显示频率和频谱。该频谱仪实现了实用频谱仪的频标设置、扫频宽度、参考电平等功能。

关键词：STM32；ADF4351adl5801；混频

Design of Spectrometer

Abstract：The spectrum analyzer uses STM32F103 MCU as the main control circuit,including program-controlled attenuation module HMC624,filtering module,mixing module

ADL5801,fixed gain amplification module adl5611,detection module ad8310.The system sweep signal generator is generated by using phase-locked loop chip ADF4351,and the output signal frequency range is over 35MHz to 400MHz.The spectrum analyzer uses two-stage mixing,and then simulates the second IF signal through the detector.The output DC signal is collected and processed by the ADC foot of STM32.In addition,the reference level is adjusted by programmable attenuation.Finally,the frequency and spectrum are displayed by TFT LCD screen.The spectrum analyzer realizes the functions of frequency standard setting,sweep width and reference electric equality of practical spectrum analyzer.

Key words：STM32; ADF4351; adl5801; mixing

引言

技术不断发展，信号频率越来越高、精度要求越来越高、工程作业环境越来越复杂等等挑战不断催促着频谱仪更新换代。嵌入式ARM平台已经普遍地应用于工程作业领域，因为其具有杰出的操控性和控制能力，低功率消耗，低制造成本。所以研发频谱分析仪的一种热门的发展趋势势必是采用嵌入式ARM平台来开发设计。在目前技术和市场竞争等等形势变化趋势的基础上，所以在当今依据国内频谱分析仪技术理论，通过参照不同类型的频谱分析仪的组成，结合ARM平台和原理来设计和制造适合我国国情的的频谱分析仪具有相当大的现实意义。

1频谱分析仪的方案设计

1.1频谱仪整体的主要性能指标

外差式频谱仪重要参数有:可测量的频率范围,频谱测量的频率分辨率,能够测量信号的垂直范围,输入灵敏度,镜像抑制能力,还有频谱仪固有的噪声特性等。

1.2频谱分析仪的整体结构设计

本设计的频谱分析仪主要包括信号变换模块、信号处理模块及显示模块，其中信号变换模块主要包括衰减器、固定增益放大器、扫频信号源、混频电路、滤波电路、模拟检波电路等组成；信号处理模块主要ARM处理器作为核心处理器，通过ADC检测对数检波后输出的相应电平值，并将相关频谱参数显示在屏幕上，扫频宽度、参考电平、扫频时间等可使用相应按键来设定。整个系统分成若干部分，其功能逐一实现最后组合在一起调试直到成功。系统框图如图1所示：

图1 系统设计框图

2硬件电路设计

2.1输入衰减电路硬件设计

HMC624ALP4E的NF(噪声系数)值达到了2.2dB，衰减误差为0.25dB，供电电压为单电源3-5V，串行调节方式使用的管脚少，SPI串行控制由CLK（ 时钟 ）、DATA（数据 ）、LE（ 使能）三线一起控制完成。

2.2镜像抑制滤波电路设计

采用外差式原理设计的频谱仪采用混频变频来进行频率测量的，即将输入信号变换到固定中频然后进行测量。但会发现输入信号高频信号时，也可与LO(本振信号)混至设计的中频频率，所以这个高频信号被称为镜像频率。

这里采用的是九阶低通滤波器，通带频率为450MHZ，带内波动是0.05,同时，阻带设计为500MHZ。通过滤波器的仿真设计软件（filter solution）获得滤波器参数。

2.3增益放大电路设计

放大电路使用低噪放可以降低整个系统系统的noise figure（噪声系数），放大器的选择是非常重要的。前端放大电路的选择指标一般根据噪声低噪声系数，同时还要考虑放大器的工作频率区间、带内增益平坦度(幅频特性曲线)、输入输出回损、PIdB(1dB 压缩点)等，本次设计选择的放大器采用的是ADI公司的固定增益放大器ADL5611，该芯片的工作频率在30MHZ-6000MHZ,符合设计要求，。

2.4混频电路设计

本系统的两级混频电路选择的都是双平衡有源混频器adl5801，它的混频损耗低，能够实现10-6000MHZ的混频,IF(中频)输出具有出色的LO（本振）和RF（射频输入）泄露抑制能力，能够达到40dBm 的效果，同时该芯片混频的线性度高，同时具有较高的噪声系数。

2.5中频滤波器电路设计

本设计选用的是两级混频，为了抑制镜像频率，同时方便输入滤波器以及扫频信号源的设计，根据市场上高频滤波器的值，将第一中频信号频率选择为506MHZ，因为后级检波采用的是模拟检波,为获得较快的，同时为了达到20KHZ的频率分辨率，本设计将第二中频设计在45MH，选择带宽较窄的晶体滤波器，以达到较高的频率分辨率。