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1 引言 直接數字頻率合成(DDS)是近幾年一種新型的頻率合成法，其具有頻率切換速度快，頻率分辨率高，以及便于集成等優點。在此，設計了基于DDS的頻譜分析儀，該頻譜分析儀依據外差原理，被測信號與本征頻率混頻，實現信號的頻譜分析。 2 系統設計 圖1給出系統設計框圖，主要由本機振蕩電路、混頻電路、放大檢波電路、頻譜輸出顯示電路等組成。通過單片機和現場可編程門陣列(FPGA)共同控制AD985l，以產生正弦掃頻輸出信號，然后經濾波、程控放大得到穩定輸出，與經放大處理的被測信號混頻，再經放大、濾波、檢波后，由MAXl97采集，并送至單片機處理，最后由示波器顯示頻譜圖像和液晶顯示相關信息。 振蕩電路采用DDS器件AD9851，只需少量的外圍器件即可構成完整的信號源，且具有轉換速度快，分辨率高，換頻速度快，頻帶寬，控制方便，信號穩定等特點。 混頻電路采用模擬乘法器集成器件AD835，其輸入的差分電壓不大于2 Vpp，一3 dB帶寬，250 MHz，外圍電路簡單，且調試方便。但缺點是輸出偏置電壓較高，其典型值為±25 mV，故后級需加隔直電路。 濾波電路采用專用濾波器MAX274，其優點是易于實現。外圍電路簡單，便于設定濾波器的中心頻率、增益、截止頻率及帶寬，并能根據不同需求設計不同類型、不同階數的濾波器。由于混頻電路分上下混頻，若采用上混頻，則需高頻窄帶濾波器，這很難實現。因此這里采用下混頻，只需設置一個中頻窄帶濾波器即可。 檢波采用集成真有效值變換器件AD637，其測量信號有效值高達7 V，精度為0.5%，且外圍電路簡單，頻帶寬。 3 理論分析與計算 3.1 帶通濾波器中心頻率選擇 從頻譜分辨率的角度看.中頻帶通濾波器的通帶寬度越小越好，但因其輸入為掃頻信號，為了保證輸出具有一定強度，窄帶寬就要求低掃頻速率，而低掃頻速率在大范圍掃頻時就需較長的掃頻時間，從而影響儀器的數據輸出率。按照要求分率為1 kHz。所以選定窄帶濾波器的帶寬為500 Hz，中心頻率約100 kHz，但考慮到采用MAX274設計濾波器的難度，將中心頻率調至70 kHz。 3.2 波形識別與中心頻率判斷 等幅波形頻率比較單一，其頻譜也較簡單，只有一條頻譜線。如果調制信號為單音余弦波f(t)=cos(ωt)，則AM調幅波的表達式為： 式中：ma為調制指數;VCM為載波振幅。 單音調頻信號的頻譜相對復雜，可設調制信號頻率為fΩ;調制頻偏為△f，則信號帶寬近似為2△f;譜線間間隔為調制信號頻率fΩ，而各個譜線的高度則由貝塞爾函數得到�！鱢反映調頻波所占帶寬，△f越大，占用的帶寬也越大，但每根譜線的間隔是不變的。 由圖2可知，fΩ影響每根譜線之間的間隔，fΩ越小，頻譜線的間隔也越小，頻譜看起來越緊密;fΩ越大，頻譜線間隔越大，頻譜看起來則越稀松。但頻譜占用帶寬是不變的。 根據不同波形的頻譜特征進行識別，在得到一個最大幅值和對應的頻率后，再在剩下的點中找出第2個最大值A2和對應頻率f2，然后判斷(f1+f2)/2對應點的幅值，若較大，則為調頻波，(f1+f2)/2即為它的中心頻率;若很小，則是調幅波或等幅波,f1則為中心頻率。由于調幅波帶寬為20kHz，只需判斷(f1-20)或(f1+20)的點值，若很小，為等幅波，否則是調幅波。 3.3 正弦電壓有效值計算 AD637的內部結構包括有源整流器(即絕對值電路)、平方/除法器、濾波放大器、獨立緩沖放大器和偏置電路。其中，緩沖放大器既可用作輸入緩沖，也可構成有源濾波器濾波，提高測量準確度。根據AD637數據資料所給出的真有效值的經驗計算公式： Vrms="Vin2/Vrms" (2) 式中：Vin為輸入電壓;Vrms為輸出電壓有效值。 測量其峰值系數高達10的信號時，采用AD637，其附加誤差僅為l%，外圍元件少，頻帶寬。有效值為200 mV的信號，一3 dB帶寬為600 kHz：有效值為l V的信號，一3 dB帶寬為8 MHz。同時，AD637可用dB表示輸入信號電平，計算多種波形的有效值、平均值、均方值和絕對值。 4 硬件電路設計 4.1 本機振蕩電路 AD985l內部含有高速、高性能的10位D/A轉換器，可用作全數字編程控制的頻率合成器。在外接精密參考頻率源時，其產生頻譜純凈、頻率和相位可編程控制，且穩定的模擬正弦波。圖3給出其系統功能原理框圖。采用AD985l作為DDS信號源，產生所需掃頻信號。為避免高頻干擾，采用PCB板實現。 由于AD985l產生的信號含有一定的高頻諧波，因而可采用低通橢圓濾波器濾除高頻分量。AD985l輸出信號幅值不穩定，且不符合AD835的輸入要求，因而采用AD603程控放大。AD603單片增益范圍為一10～+30 dB，輸入控制電壓范圍為0~1V，增益與控制電壓的關系為Gain(dB)=40Vg+10。而AD603的輸入控制電壓由單片機通過D/A轉換器提供。D/A轉換器采用MAX5532。 4.2 混頻電路 該系統采用AD835作為混頻器，其輸入信號是X1與Y1相乘后混頻。X1，Y1的輸人電壓范圍在一1～+l V較為合適，Vpp至少應大于50 mV。使用AD835混頻時應注意輸入混頻器的信號中不能疊加直流分量。要使直流分量的頻率為O，使得輸出信號中有另一輸入信號不能發揮混頻器的作用。圖4給出混頻電路。 4.3 帶通濾波電路 在確定帶通濾波器的中心頻率為70 kHz后，利用MAX274濾波器設計軟件，以完成軟件設計。圖5為帶通濾波器的設計。 4.4 A/D轉換器 經AD637轉換后的信號需再經MAXl97實現A/D轉換，并送至控制系統處理。該系統設計采用8通道，12位MAXl97實現A/D轉換。MAXl97的最小分辨精度可以達到5/4 096=1.22 mV，該器件一共有O~5V，0~10V，一5～+5 V，一lO～+10 V 4種量程.且外圍電路簡單。 5 測試結果 采用Tektronix數字示波器TDSl002和Agilent信號源33120A進行測試。表1為等幅波形測量值，表2為調幅信號測量值，表3為調頻信號的測量值。由表1～表3可見，該系統具有識別調幅、調頻和等幅波信號的功能。表4給出該系統實現中各性能的實測結果。 6 結語 該系統依據外差原理.采用單片機與FPGA相結合，實現頻率范圍為l～30 MHz信號的頻譜分析。測試結果證明，系統穩定可靠，人機交互界面友好，操作簡易方便。 |
