基于外差法的简易频谱分析仪设计

卢 炜

（华中师范大学 物理学院，湖北 武汉 430074）

1 案设计要求

设计要求频率测量范围为1~30M，频率分辨率为10k，输入信号电压有效值为20mV左右，输入阻抗为50欧，可设置中心频率和扫频宽度；借助于示波器显示被测信号的频谱图，并在示波器上标出间隔为1M的频标。具有识别调幅、调频和等幅波信号。设计的参考原理框图如图1所示。

2 总体方案设计

图1中方案基本电路包括放大电路，本振电路，混频电路，滤波电路，检波电路和显示电路；本设计实现的关键在于本机振荡器、混频器、滤波器和检波器等高中频部分。

2.1 前置放大器

由于进入混频器的输入信号峰峰值为2V左右时，此时混频出来的效果最好，所以被测输入信号必须先进行放大，经计算，放大倍数大概为20倍；由于又是高频信号，选择芯片必须放大频带宽，故选择AD8009，电流型运放，单增益带宽可达1GHz。

2.2 混频和滤波部分

设计要求输入频率测量范围为1MHz 30MHz，为了防止混频时产生镜像干扰，本设计采用二次混频，第一次混频后经过滤波器，再进行第二次混频，变成低频，再通过一个低频带通滤波器。这样就可以彻底消除镜像干扰。

第一级混频器的输出滤波器中心频率就必须大于30MHz。考虑到中频滤波器的实际选频特性，取中频带通滤波器1的中心频率为34.3MHz，选择晶体滤波器，中心频率为34.3M.由于经过滤波器后，幅度会变小，故再经过一级放大器放大到峰峰值为2V左右，接着进行第二混频；第二级固定的本振频率的选择与后一级的低频滤波器有关，由于第二级是一个中心频率为20K，3dB带宽为1k的带通滤波器，所以第二级振荡频率为34.28M。这里第二级的带通滤波器是选择MAX274集成滤波器设计而成的，只需通过改变外接电阻来实现你的中心频率和带宽要求，设计相对简单。

2.3 本机振荡器

本设计采用专用DDS集成芯片AD9852来实现设计，因为专用DDS芯片集成了众多数字部件，这种高度的集成化避免了因分立元件布线造成的信号干扰对系统性能的影响，提高了输出信噪比，大大降低了功耗，简化了硬件连接，增加了系统的运行速度和可靠性，同时也大大缩短了开发周期。

第一级本振信号频率为34.3~66.3MHz，AD9854片上集成了采样率高达400MSPS的14位DAC，可以产生高达200MHz的正弦波，利用其数字可编程功能通过串行I/O口向芯片写入频率变化和控制字可灵活的控制其频率和相位。AD9854内部还集成了一个1024×32bit的静态RAM，用以支持灵活的跳频、跳相应用，同时还支持用户定义的线性扫频操作。芯片还包含了一个高速片上比较器，可用于需要输出方波的场合。时钟方面，AD9854内部集成了振荡电路，支持单晶体驱动和外部时钟驱动两种模式，内部还带锁相环可以将外部时钟倍频4～20倍提作为系统时钟，系统时钟最高可达400MHz。数字接口可支持通用5V标准。并且具有多芯片同步功能。

2.4 检波电路

采用传统的二极管包络检波法。

3 系统调试及指标测试

3.1 调试过程

采用分级调试的方法，先调试放大器、混频器、带通滤波器、本机振荡等各个模块都正常工作，其中检波，A/D,D/A及AD9852模块需要结合程序来统调。紧接着按功能实现进行调试。首先调试AD9852，看是否会出现正确的扫频信号；然后就是混频器，用信号源输出一个信号，和9852输出的信号混频，用示波器观察；接下来就是调试晶体滤波器和带通滤波器；最后就是检波和显示。检波的调试先让9852输出一个固定的频率，然后改变信号源的频率，示波器观察检波后的直流量的变化规律是否正常。分别调试各个部分最优后进行整体调试。

3.2 测量结果

表1 测量结果

测量次数 NO.3 NO.4信号类型 参数 信号源输出 测量值 信号源输出 测量值等幅波 频率 5M 4.98M 10M 10M调幅波载波频率 5M 4.95M 10M 9.98M调制信号频率 20k 19.5k 20k 19.8k调制度 50% 49% 60% 58%调频波中心频率 5M 4.95M 10M 9.90M频偏 20k 19.4k 20k 19.2k

4 设计结果分析

本设计利用外差原理实现了对信号频谱分析的功能，覆盖了1MHz-30MHz的频谱范围。应用了集成度较高的芯片作为个功能模块，提高了整个系统的稳定性和精度。在设计中各模块的设计都很重要，只有掌握好各种芯片的性能指标，使每级输入的幅度和频率都适合才能使他们发挥最好的效果，并且要注意各级的级联，否则会影响整个系统的性能。

[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]潘松,黄继业.EDA技术与VHDL[M].北京：清华大学出版社，2007.

[3]管致中.电子测量技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.

[4]李群芳,肖看.单片机原理接口及应用[M].北京：清华大学出版社，2005.