简易频谱分析仪设计分析

柳　敏　李　白　杨静竹

摘 要:简易频谱分析仪基于外差原理,采用本机振荡信号与被测信号混频的方法实现该原理,可对频率范围在1MHz—30MHz之间的被测信号进行频谱分析,频率分辨力和误差均小于1KHz。该系统具有识别调幅、调频和等幅波信号及测定其中心频率的功能,可设置中心频率和扫频宽度。

关键词:外差法;频谱分析;混频

中图分类号:TH871.7文献标识码:A文章编号:1672-3198(2009)18-0307-02

1 方案设计

(1)采用外差原理设计并实现频谱分析,其参考原理框图如图1所示。

这要求频率测量范围为1MHz—30MHz,频率分辨力为10kHz,输入信号电压有效值为20mV±5mV,输入阻抗为50Ω。可设置中心频率和扫频宽度;借助示波器显示被测信号的频谱图,并在示波器上标出间隔为1MHz的频标。具有识别调幅、调频和等幅波信号及测定其中心频率的功能,采用信号发生器输出的调幅、调频和等幅波信号作为外差式频谱分析仪的输入信号,载波可选择在频率测量范围内的任意频率值,调幅波调制度ma=30%,调制信号频率为20kHz;调频波频偏为20kHz,调制信号频率为1kHz。

基本电路涉及放大电路,本振电路,混频电路,滤波电路,有效值检波以及各个模块之间的耦合与匹配。

(2)系统总体设计方案。

输入信号经过放大,匹配输入阻抗,使得信号幅度在最佳状态,1次混频的扫频本振由DDS产生的信号经放大滤波后获得,在30多MHz的中心频率处做一个选频网络作为中频滤波器。二次混频的固定本振采用串联晶体振荡电路,产生高稳定度的本振信号,将信号频谱搬移到10.7M,以便滤波器使用10.7M的标准中频陶瓷滤波器。三次混频和二次混频类似,中频滤波器通过455K带通滤波器。再经过均值检波,A/D转换,存储在FPGA内部的RAM中,再经过存储数据判断送示波器X轴Y轴显示。

采样、控制部分采用89S52单片机和FPGA实现,调配键盘,显示,实现人机界面。

2 理论分析与计算

2.1 测量范围(1M—30MHz)的理论分析

要求频率测量范围是1M—30MHz,对于这么宽的高频带,只能采用集成DDS芯片实现。采用AD9851,最高时钟频率为180MHz,输出30MHz信号时每个周期的平均点数只有6个,混叠失真比较严重。所以要想实现题目要求的指标,对AD9851输出信号的滤波和放大等处理是比较关键的。

2.2 频率分辨力的相关理论分析

要求的频率分辨力是10KHz,即能分辨频率之差为10KHz的信号。这一指标包含了两个意思:

(1)扫频发生器的频率步进应≤10KHz。(2)测得的频率误差应≤10KHz。

2.3 带通滤波器中心频率及带宽的确定

(1)中心频率的确定。

对于等幅波,理论上谱线只有一根,只要滤波器带宽合适,就可以消除镜像频率的干扰。但对于调幅和调频波,就必须考虑镜像频率的干扰。设载波频率为fc,中心频率为fw,为了抑制镜像频率的干扰,需满足: fc-20k+2fw≥fc+20k,即fw≥20KHz。综合考虑滤波器的性能后,我们将fw定为45KHz。

(2)带宽的确定。

根据题目给出的10KHz的频率分辨力,为了防止频谱混叠,滤波器带宽应≤10KHz。我们根据实际情况,最终将带宽定在6KHz。

3 系统调试与指标测试

3.1 测试方法

采用分级调试的方法,先调试带通滤波器、放大器、混频器、晶体振荡器等各个模块都正常工作,其中检波,A/D,D/A及AD9851模块需结合程序来调试。再按功能实现按阶段进行调试。首先调试9851,先写一个扫频程序,让9851产生1M到30M的频率,用示波器观察9851出来的信号在正个扫频范围内是否正常。再调试混频器,用信号源输出一个信号,和9851输出的信号混频,混频后的结果用示波器观察,其频谱应该有两根线,一个是两个信号的频率相加,一个是两个信号的频率相减。接下来就调试34.7M的带通滤波器。由于在这么高的频率上做一个带通滤波器不是很容易,所以我们是先用射频信号源把带通滤波器调试好,就可以直接投入使用了。由于本系统有三级混频,所以在后两级混频中还要有本振,我们采用的是晶振荡器。晶体振荡器的调试也是用示波器观察,调试好后直接投入使用。然后就是检波和A/D转换,检波的调试先让9851输出一个固定的频率,然后改变信号源的频率,用示波器观察检波后的直流量的变化规律是否正常。调试好检波之后就调试A/D转换器,这部分的调试要用CPU启动A/D转换和采样,转换之后的数字量应和输入的模拟量相对应。D/A的调试很方便,让CPU输出一个三角波的数字信号给D/A,用示波器观察转换后的结果。在分别调整各个部分性能至最优后进行整体调试。

3.2 测量结果(如下表所示)

4 实验结果分析

本实验结果基本上达到了要求。由于采用了高中频原理,所以没有镜像干扰。但是采用的是AD637有效值检波,由于其滞后特性,使得测得中心频率点的峰值会有所减小,中心频率滞后。我们通过来回两次扫频减小误差。本系统的误差来源还有滤波器的带宽不够窄,第一次混频时的两个高频信号会互相干扰,致使频谱不够纯净,对后级的混频滤波会有影响。

参考文献

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