频谱分析仪实验报告

简易频谱分析仪（C题）

摘要：设计了基于外差原理的简易频谱分析仪，采用本机振荡信号与被测信号

混频的方法实现该原理，以STC89C52单片机作为主控制器，采用DDS芯片产生10KHz步进的本机振荡器，可对频率范围在1MHz—3MHz之间的被测信号进行频谱分析，频谱分辨率小于10KHz；AD835乘法电路混频器，低通滤波器的截止频率为10KHz，AD637采集有效值，经过STC89C52处理，作为Y信号在示波器显示，同时与扫频信号同步的锯齿波信号作为X轴信号，以X—Y方式在示波器上显示。该系统完成了测试正弦信号等单一信号的频谱测试及调试。测量频率范围覆盖1MHz-3MHz。

1.系统设计

本题目要求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。

系统框图如图1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fx分别作为乘法器的两个输入端，产生两种频率的信号（f L-fx）和（f L+fx），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。为了达到更好的效果，将由DDS输出的单级信号经一减法器之后变为双极性信号作为混频器的本机振荡输入。

图1

2.单元电路设计

2.1单片机最小系统

如图2所示，本系统选用STC89C52单片机作为主控制器，进行信号处理和控制人机交互。但由于单片机可利用I/O口资源有限，故采用8255进行了端口扩展。图2即为8255与单片机的连接扩展图。

图2

2.2键盘控制电路

如图3所示，为键盘控制电路。其中1~8端口分别接单片机的P1.0~P1.7口。

图3

2.3液晶显示

液晶显示模块采用128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，TG12864C是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器及格128×64全点阵液晶显示器组成。可显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。

2.4本机振荡器电路设计

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（10M以下）较好，幅度随着频率升高而略有下降。

2.5减法器设计

如图4所示为减法电路的电路图，减法电路可以实现的功能是让一个交流信号减去一个直流信号的值，因此减法电路可以实现将单极性信号下拉为双极性，或者将交流信号下拉为小于某个电平值的功能。一般的减法电路芯片用普通运放即可，如LM358，OP07等，但上述两种芯片在低频段来说性能较优越，而此系统要求的信号为兆级以上的高频信号，故用以上两种普通运放的输出波形失真比较严重，故为了解决此问题，我们用高频运算放大器AD811来代替普通运放。AD811管脚图如图5所示。

图5 AD811管脚图

图4

2.6混频电路设计

本系统电路采用AD835乘法器专用芯片，能完成W=XY+Z功能，AD835可以实现250MHz带宽内的，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，外围电路相对简单，如图6所示，不需要进行复杂的调零调试，只需要将Z的直流输入相对调整即可，但是AD835对小信号的乘法较高，不易产生输出新的频率分量；鉴于此，对X和Y的输入幅度也做了相应的调整，例如本机振荡信号的输入f L经过了减法器进行调整使之变成双极性信号，同时由于减法器具有的一定衰减作用，把的本机振荡信号f L幅度减到mV

级，使AD835获得了最佳想成效果。

图6

2.7低通滤波器电路设计

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，所以低通滤波器的截止频率为10KHz。

如图7所示，利用软件合成一个10KHz截止频率的低通滤波器，图中各元器件的值选取最接近理论值的标称值。

图7

2.8检波电路设计

为了提高检波精度，选择真有效值转换芯片AD637作为检波电路。AD637是当前国际上转换精度最高及频带最宽的真有效值转换器，它分为四部分：绝对值电路、平方/除法器、滤波器/放大器和缓冲放大器。输入电压可以是交流或直流都行。

图8为AD637的外围硬件电路；其中输入管脚的隔直电容C按需要选择加或不加（如果只测交流信号，加此电容，否则不加）；而对于滤波电容C A V它是为建立平均时间常数所必备的，这个电容的选择很重要，它决定了检波的精度和稳定时间，大电容检测时间长，小电容会加大检波电路的输出电压的波纹；为了平衡DDS的扫描速度和数据采集精度的问题，我们选择了4.7μF的电容，经过实测效果比较理想。

AD637的输入电压范围是随供电电源变化的，当电源用±15V电压时，输入电压范围为0~7V；当供电电源为±5V时，输入电压范围为0~1V。

图8

3.软件设计

软件设计流程图如图9所示。在软件控制上，由于方案要求能控制本机振荡信号的中心频率带宽，因此10KHz的步进值直接通过软件设定，又为了硬件采集方面的考虑，扫频的速度不宜太快，加上延时程序再根据硬件调试结果定夺。