摘要：本系统利用spce061a单片机作为主控制器，采用外差原理设计并实现频谱分析仪：利用dds芯片生成10khz步进的本机振荡器，ad835做集成混频器，通过开关电容滤波器取出各个频点（相隔10khz）的值，再配合放大，检波电路收集采样值，经凌阳单片机spce061a处理，最后送示波器显示频谱。测量频率范围覆盖1mhz-30mhz，可根据用户需要设定显示频谱的中心频率和带宽，还可以识别调幅，调频和等幅波信号。
关键词：spce061a dds
一、方案论证
方案一：扫频法。这种频谱分析仪采用外差原理，由本机振荡器产生一定步进频率的信号与输入信号相乘，然后由适当的滤波器将差频分量滤出以代表相应频点的幅度。本机振荡信号可以达到很宽的频率，与外部混频器配合，可扩展到很高频率。这种方法的突出优点是扫频范围大，硬件成本低廉，但这种方法对硬件电路要求较高，各模块性能都需要精心设计，且连接在一起整体调试时有一定难度。而且它只适于测量稳态信号的频率幅度，获得测量结果要花费较长的时间。
方案二：fft法。这种频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(adc)对输入信号取样,再经fft处理后获得频谱分布图。它的频率范围受到adc采集速率和fft运算速度的限制。为获得良好的仪器线性度和高分辨率，adc的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍。fft运算时间与取样点数成对数关系，频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时，要选用高速的fft硬件，或者相应的数字信号处理器(dsp)芯片。可见这种方法的优点是硬件电路简单，主要依靠软件运算，可以提高分辨率。但缺点是频率越高，对adc和dsp芯片的速度要求越高，相应价格也越昂贵。
方案三：分段fft。这种方法将输入信号分段，逐段进行fft的处理，这样分段取样降低了对adc和fft硬件的速度要求，又可以在相对窄的频段内得到更高的频谱分辨率。但是这种方法在软件和硬件的设计和测试上显然要复杂很多，尤其是在1m-30mhz如此宽的频段范围内。
根据实际条件和成本上的考虑，在满足题目要求的前提下，我们选择方案一实现频谱分析仪。
二、详细软硬件设计
根据题目要求，系统总体设计框图如图2.1，硬件连接图如图2.2。
1、硬件设计
（1） 单片机最小系统
如图2.1，本系统选用spce061a单片机作为主控制器，进行信号处理和控制人机交互。spce061a是一款16位结构的微控制器。在存储器资源方面，spce061a内嵌32k字的闪存（flash），可供存储扫描所得的频率点幅值，而不用外置存储器，节省了存储时间，方便对数据进行处理；在处理速度方面，它的cpu时钟为0.32mhz～49.152mhz，较高的处理速度使其能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号；32位通用可编程输入/输出端口便于与外围器件相连；7通道10位电压模/数转换器(adc)可供采集样值。
（2）dds集成芯片
如图2.1，本系统中选用ad9850 dds集成芯片完成dds本振。ad9850是高稳定度的直接数字频率合成器件，内部包含有输入寄存器、数据寄存器、数字合成器（dds）、10位高速d/a转换器和高速比较器。ad9850高速的直接数字合成器（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的正弦波信号。
根据ad9850说明书的电路制作了dds集成板。实际测试dds的芯片所产生的信号波形（10m以下）较好，幅度随着频率的升高而略有下降，为了满足ad835小信号混频的性能，我们后接ad603加以衰减。详细见下面（3）。
（3）混频器
乘法器ad835可以实现250mhz带宽内的混频，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，外围电路也相对简单，不需要进行复杂的调零调试，只需要对z的直流输入进行相对调整即可。其基本原理框图如图2.3所示。其中w=x×y+z。
图2.3 ad835原理框图
ad835对小信号的乘法精度较高，不易输出新的频率分量，所以我们利用ad603将dds输出信号适当衰减，将输入小信号适当放大，再送入乘法器，以获得最好的相乘效果。电路连接如图2.4所示。
在实际测试过程当中，我们发现乘法器的输出信号幅度会随信号频率的升高而略有增加，很好地弥补了dds集成芯片ad9850输出信号的幅度随着频率的增加而小幅度降低的这种缺陷。
图2.4 带宽90mhz、增益可控的ad603信号放大电路
（4）滤波器
本设计要求频谱分辨力为10khz，所以每个扫频点的间隔为10khz，以此频点作为中心，左右各5khz范围之内为有效值，所以滤波器需要5khz的带宽。max297为8阶开关电容滤波器，可以实现截止频率0.1～50khz的可调，很容易满足题目的要求。其带内增益平坦，带外衰减速度很快。
max297的1管脚的clk信号可以外接一个电容实现截止频率的选择：
这样可以根据max297的截止频率和clk的比值为1:50的关系确定截止频率fc，经过实际测试选择120 pf可以实现5khz的截止频率，满足题目的频谱分辨率要求。如图2.5所示。
图2.5 由max297所组成的截止频率为5khz的lpf
（5）检波电路
如图2.1，为了提高检波精度，我们选择了mx636作为检波电路，其电路原理图如图2.6，它的外围电路只有一个电容。这个电容的选择很重要，它决定了检波的精度和稳定时间。大电容检测精度高，放电时间长；小电容会加大检波电路的输出电压的波纹，使检测精度下降。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0.1uf的电容，经过测试效果比较理想。
图2.6 mx636检波电路原理图
（6）电源管理及保护
由于本系统各模块对电源的要求不一致，若各种电源值都由外部分别提供，则电源接口会显得很复杂，所以在电源设计上，本方案使用了各种稳压三极管。外部只提供正负16伏的电源，+15v用7815分压得到；- 15v用7915分压得到；+5v用7805分压得到；- 5v用7905分压得到。
另外，为了防止用户误将电源反接而损毁系统内部芯片，我们在电源的入口接了一个二极管，负极接正电源，正极接负电源，若电源反接，接口电压会限制在二极管的导通压降0.7v，保证了整个电路安全。如图2.7所示。
2.7 电源分压及保护电路
（7）键盘及显示电路
本设计中采用普通的4×4键盘，其功能示意图如图2.8。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
mhz
频标
显示
－
start/
return
f1/
fo
f2/
w
图2.8 键盘功能示意图
按键功能说明：
· 0～9和"."为普通数字输入。
· "mhz"为设置频率和带宽的单位。
· "start/return"为新输入信号后启动测量和界面切换键。
· "set fo"和"set w"分别为设置中心频率和设置扫描带宽键。
· "频标显示"决定是否显示出频标。
显示模块采用市场上常见的fm1602c液晶显示模块。
液晶屏上会有操作指示，可按响应按键，使得操作简单易懂。
2、软件设计
在软件控制上，由于方案要求产生的10khz频率步进增加，所以对ad9850频率调制字改变也应是快速的。ad9850调制字（tuning words）的装入采用异步串行接口uart，同时兼顾到单片机i/o口的分配和对调制字装入速度的要求，为了加快扫频和扫描速度，将系统时钟改成最大值49mhz，以加快扫频和扫描速度。
另外，由于硬件采集系统无法达到全频段的稳定性，在收集频谱样值后我们通过软件对其进行一定的校准处理：根据固定输入信号的幅值，对全频段扫描结果并记录比较，设计校准曲线，来达到良好的稳定性，弥补硬件频率失真带来的误差，提高频谱测量仪的精度。软件还对数据进行分析，根据频谱特性判别是am、fm或单频波，计算调制深度或调频系数。
其主程序流程图如图2.9。
图2.9 主程序流程图
三、测试说明
1、测试仪器：
· tektronix tds1012 双通道数字示波器 100mhz
· ht-1714c型直流稳压电源
· tfg2030 dds函数信号发生器 30mhz
· ut56 multimeter 数字万用表
2、测试过程几组测试数据：
（1）频率范围测试：
测试条件：输入信号有效值20mv。
表3.1 频率范围测试
输入频率 fi /mhz
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
示波器显示电压 /v
4.2
4.2
4.2
4.2
4.4
4.0
4.0
4.0
3.8
4.0
测得输入信号有效值 /mv
21
21
21
21
22
20
20
20
19
20
输入频率 fi /mhz
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
示波器显示电压 /v
4.0
3.8
3.8
3.8
3.8
3.8
4.0
3.8
4.0
3.8
测得输入信号有效值 /mv
20
19
19
19
19
19
20
19
20
19
输入频率 fi /mhz
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
示波器显示电压 /v
3.8
3.8
3.8
3.8
3.8
4.0
4.0
3.8
3.8
4.0
测得输入信号有效值 /mv
19
19
19
19
19
20
20
19
19
20
结果：最大误差2mv。
（2）幅度精度测试：(示波器显示幅值和测得相应频点幅度有效值)
表3.2 幅度精度测试
输入幅度有效值
fo=1mhz
fo=10mhz
fo=20mhz
fo=30mhz
15mv
3.2v/16mv
3v /15mv
3.2v/16mv
2.6v/13mv
20mv
4.1v/20.5mv
4v/20mv
4v/20mv
3.8v/19mv
25mv
4.6v/23mv
4.9v/24.5mv
5v/25mv
4.6v/23mv
结果：在测量范围内，幅度精度较高,误差在2mv以内。
（3）识别调幅，调频，等幅波测试：
① 输入等幅波，可精确扫描到中心频率点。
② 输入调幅波调制度为30%，调制信号频率为20khz,中心频率fo=10mhz,载波信号,幅度500mv峰峰值。
结果：三条谱线，中心频率10mhz。两边频率为9.98mhz和10.02mhz，中间幅度/边频幅度约为1/6，可计算出调制度为33%。
③ 输入调频波频偏为20khz，调制信号频率为1khz, 中心频率2mhz载波信号,幅度600mv峰峰值。
结果：可以看到中心频率值左右有多条谱线，但幅度不同，可以算出中心频率2mhz。
分析：因为扫频是测量某一瞬态的频谱，对于调频波这种变频信号，不同瞬态的频谱图不一样。频率最大值会在频偏范围内摆动，且每隔1khz的频谱超过了我们的分辨率，所以我们测得的调频信号频谱不是特别理想。但仍然可以根据谱线分布特征判断出为调频波的中心频率。
四、结论
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。对电压值的标定采用对比法，能得到很高的测量幅度精度。利用示波器显示频谱值，并可根据使用需要设置中心频率和显示带宽。
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。
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