简易频谱分析仪

简易频谱分析仪

作者：尹三正翟勇蔡浩

赛前辅导及文稿整理辅导教师：尹仕

摘要：

本设计利用外差原理,以单片机为核心，辅助以FPGA等实现半数字化的频谱分析。系统由4个模块组成：混频模块,信号采集模块,频谱图显示模块,输入波形识别模块。混频模块将输入信号与本振信号进行混频得到中频信号；信号采集模块对中频信号进行检波和AD采样，将采样数据存入单片机；采样数据经单片机处理后送给FPGA，由FPGA利用示波器的XY通道完成频谱图显示；单片机通过对采集到的数据进行分析来判定波形，同时采用等精度测量法测量输入信号中心频率。通过采用一定算法对输入信号进行处理，消除低中频带来的镜像干扰。

关键词:频谱，扫频，混频，中心频率

Abstract：

Key Words：spectrum, frequency scan, frequency mixture,

the center frequency

一、方案设计和论证

本题目要求采用外差原理实现频谱分析仪，“外差”是变频的意思，因此将输入信号加到混频器上与本振信号混频后，再经过窄带中频滤波器将落入中频带的信号提取出来。通过AD转换器对检波后的中频信号进行采样并存入单片机，单片机对数据进行处理后再通过 FPGA将频谱图显示在示波器上。输入信号整形后可通过FPGA利用等精度法进行测频，由于调频，调相和等幅波的频谱图不一样，通过识别输入信号的频谱特征就可判断是何种波形。整个系统框图如图1.1所示。

图1.1：系统框图

1.混频模块：

方案一：选用MC3362搭建混频电路。MC3362是MOTOROLA公司生产的单片

窄带调频接收电路，电路如图1.2所示：

图1.2：MC3362典型电路

载频信号从MC3363的2脚输入，进行第一级混频后将差频为10.7MHz的第

一中频信号从23脚输出，经中频为10.7M的陶瓷滤波器选频后再由21脚送到内

部的第二混频级，将差频为0.455MHz的第二中频信号从7脚输出，经455kHz陶

瓷滤波器选频，再经9脚送入MC3363的限幅放大器进行高增益放大。

方案二：用乘法器和带通窄带滤波器搭建混频器：选用AD835作为乘法器，

将本振信号和输入信号相乘得到二者频率的和差信号，达到混频的效果，与较常

，对噪声可形成较强用的乘法器MC1596相比，其两路输入信号幅值可达到1V

的抑制能力，而MC1596两个输入端允许的最大信号幅值分别为15mV和100mV，

信噪比较低。

Q为几百，比LC滤波带通窄带滤波器选用陶瓷滤波器，它的等效品质因数L

器要高，对通带外的信号能形成很强的衰减。

论证：方案一只需一块集成芯片即可实现混频和中频输出，但与方案二相比

其外围电路过于复杂，而且其混频输出信号没有AD835干净，对输出噪声的抑制

能力也较差。因此选择方案二来完成混频输出。

2.本机振荡器：

输入信号频率范围为1MHz～32MHz，故要求本机振荡器的振荡频率要大于该

值一个中频。

方案一：采用LC 正弦波振荡器与变容二极管产生本振频率，通过改变变容

二极管两端电压，使振荡电路输出频率发生改变。

方案二：采用FPGA 实现。将正弦波信号的一个周期的离散样点的幅度数值

量存于RAM 中，以一定的地址间隔读出，经DA 转换器转换输出，再经低通滤波

滤除D/A 带来的高次谐波，即可获得所需要的波形。

方案三：采用专用DDS 集成芯片来产生正弦波。

论证：方案一为传统的振荡器电路形式，组成电路繁琐而且不易实现频率线

性步进，而且要实现29M 的频率变化范围难以实现；方案二采用FPGA 产生正弦

波，通过改变地址步进间隔即可实现不同频率输出，但要以较小失真度产生30M

正弦信号，比较困难。而采用专用DDS 集成电路只需少量外围元件就能构成一个

完整的信号源，而且控制方便，因此我们选择方案三。

二、理论分析和参数计算

1. 混频模块

(1)中频的选择：

混频器的输出信号中除了需要的差额信号外，还存在一些谐波频率和组合频

率，如果这些组合频率接近中频并落在中频放大器的通频带内，则会形成干扰。

设本振信号频率为LO f ，输入信号频率为s f ，中频为i f ，组合频率为k f ，当

k LO s f pf qf =±±i f ≈

时会形成干扰。取i LO s f f f =-，去除不可能存在的情况，得到:

1s i f p f q p ±=-

用不同的p ，q 值带入上式算出相应的s i f f 值，得表如下：

表2.1：组合频率选取参考表

结合扩展部分，本题要测量的波段范围为1～30MHz ，我们选中频i f ＝

458.5kHz ，则在整个波段内，s i f f ＝2.15～65，满足这一范围的组合频率干扰

点很少（仅编号4，7，11，15四个点）。

(2)前置放大器：

由于输出信号电压有效值为20mV ±5mV,为降低噪声在输入端加一个前置放

大器，使频谱分析仪系统的噪声系数降低。同时为使系统输入阻抗与信号源输出

阻抗匹配，我们在运放的同相输入端接一个50Ω电阻到地，由于运放同相输入

端阻抗很大，这样输入信号阻抗几乎为50Ω，达到阻抗匹配。由于后级乘法器

选用AD835，在满足一定精度下要求输入信号1V ≤±，因而增益

128.5725*1.4v V A mV ≤=，取前置放大器增益v A =24。

由于输入信号最高频率达到30M ，则相应运放的增益带宽积应满足：

3025750ain G MHz MHz ≥⨯=

压摆率也应满足：

om 2V =377V/s SR f s πμ≥⨯⨯

同时输入失调电压应尽量的小。根据这些指标要求，选择MAX4117 作为前

置放大器。MAX4117为电流型反馈运算放大器，大信号时增益带宽积为280MHz ，

压摆率为1200V/s μ，输入失调电压为1mV ，内含两个独立运放，采用两级级联，

分配第一级分配增益为6，第二级增益为8，则相应增益带宽积要求为：

308240ain G MHz MHz ≥⨯=

能达到要求，并能对35MHz 以上信号形成衰减，由图2.1知，第二级输入信

号为第一级输出信号的一半，故总增益为：v A =6×8÷2＝24满足设计要求。电

路图如图2.1所示。