基于单片机的频谱仪设计

唐弟 杨艺敏

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：

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，串行調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。

2.6检波电路电路设计

中频选择的是模拟中频方波通过对数检波器实现检波，这里选用的是ADI公司的ad8310，该芯片可以达到95dB的动态范围，输出电路与输入信号功率变换曲线为24mv/dB，检波响应时间低于15ns，检波速度快，同时检波范围宽，线性度好，可以达到本设计的40dB的垂直分辨率。

2.7扫频信号源设计

因为测试信号的频率范围为50MHZ-400MHZ，根据第一中频的频率为506MHZ，扫频信号源的频率范围556-906MHZ

扫频信号源一般选择DDS（直接数字频率合成）和pll（锁相环），当频率过大时，DDS实现难度较大，所以这里选择了PLL作为本设计的扫频信号源。结合扫频速度、扫频信号源的输出频率范围、频率分辨率等指标，这里选择使用adf4351作为扫频信号源。

2.7信号处理与控制模块设计

本系统的主控芯片选择的是集成Cortex-M4内核的st公司生产的stm32f429，该处理器能够达到180MHZ主频，内部集成了3路（每路八通道）12位AD，精度可以达到0.8mv（3300/4096），同时自带了tft控制器，同时具有较高的浮点运算能力。因为该芯片自带tft控制器，而且驱动时钟频率很快，可以达到很快的显示速度，同时数据处理能力强，符合该设计的要求，所以选择了该芯片。

3频谱分析仪的的软件设计

本系统选用stm32f4系列集成cortex-m4内核和tft控制器的stm32f429作为核心处理器。主要通过控制衰减器hmc624实现参考电平可调的功能，同时根据频谱仪检测的其实频率和停止频率来控制扫频信号源的输出频率，以及频率步进值，通过ad检测模拟检波器ad8310的输出电压来实现输入信号的幅度检测，并对应频率的幅度值显示在tft显示屏上面。

4實验结果

4.1本振输出信号频谱检测

本振模块采用ADF4351设计，让锁相环输出固定频率值，用频谱仪观察测量输出信号频谱，频谱仪显示频谱如图2：

4.2系统整机测试

由于输入测量信号在30-450MHZ，所以需要射频信号源，从输入端接上射频信号发生器，让射频信号源输出信号频率为420MHZ的AM信号，然后通过本次设计的频谱仪测量并与实验室的频谱仪测试图片进行对比，测试结果如图3所示：

5总结

频谱分析仪的设计与实现有着重要的意义，本次设计要求制作一个频率测量范围为50-400MHZ、垂直分辨率达到40dB的频谱分析仪。根据系统要求，利用锁相环芯片adf4351设计出了适合本系统的扫频信号源，输出频率误差几khz，能够达到本设计的要求，采用双平衡混频器adl5801实现了对输入信号的频率搬移，滤出到较低中频，第一中频使用506MHZ带通滤波器实现了对输入信号镜像抑制，利用衰减器hmc624实现了参考电平可调节的功能，同时通过软件根据输入信号对应频率最大设置了至少两个mark点，基本上能达到满意的结果。

参考文献

[1]樊昌信.通信原理[M].第七版.北京：国防工业出版社，2012年.

[2]顾宝良.通信电子线路[M].第三版.北京：电子工业出版社，2013年.

[3]黄跃成.0-3.6GHz频谱仪射频前端关键技术研究[D].成都：电子科技大学，2012年.