简易频谱分析仪
摘要：本简易频谱分析仪以单片机为核心，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，经单片机处理，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。
关键词：单片机；DDS；混频器
一、系统方案设计
1.方案论证与选择 （1）本机振荡器
方案一：采用LC正弦波振荡器与变容二极管产生本振频率，通过改变变容二极管两端电压，使振荡电路输出频率发生改变。这是传统的振荡器电路形式，组成电路繁琐而且不易实现频率线性步进，而且要实现30M的频率变化范围难以实现。
方案二：采用FPGA实现。将正弦波信号的一个周期的离散样点的幅度数值量存于RAM中，以一定的地址间隔读出，经DA转换器转换输出，再经低通滤波滤除D/A带来的高次谐波，即可获得所需要的波形。但采用FPGA产生正弦波，通过改变地址步进间隔即可实现不同频率输出，但要以较小失真度产生30M正弦信号，比较困难
方案三：采用AD9850 DDS集成芯片来产生正弦波。芯片内部的DDS核与高速、高性能的DAC和比较器组合，构成了一个数字可编程的频率合成器和时钟信号发生器。外接一个精密的时钟源，AD9850可产生一个非常纯净的、频率和相位幅度可编程的正弦波信号输出。采用DDS电路只需少量外围元件就能构成一个完整的信号源，而且控制方便。
综上所述，我们选择方案三。 （2）混频电路
方案一：选用MC3362搭建混频电路。MC3362是MOTOROLA公司生产的单片窄带载频信号从MC3363的2脚输入，进行第一级混频后将差频为10.7MHz的第一中频信号从23脚输出，经中频为10.7M的陶瓷滤波器选频后再由21脚送到内部的第二混频级，将差频为0.455MHz的第二中频信号从7脚输出，经455kHz陶瓷滤波器选频，再经9脚送入MC3363的限幅放大器进行高增益放大。该方案只需一块集成芯片即可实现混频和中频输出，但其外围电路过于复杂，对输出噪声的抑制能力也较差。
方案二：采用AD835乘法器专用芯片。将本振信号和输入信号相乘得到二者频率的和差信号，达到混频的效果。AD835对小信号的乘法精度较高，不易产生输出新的频率分量，有250M的混频带宽，低噪声系数，简单的传输函数，只需要极少的外围元件。
综上所述，我们选择方案二来完成混频输出。 2.系统方案描述
本简易频谱分析仪由混频器、滤波器、有效值检波器、本机振荡器、扫描发生器、D/A转换器、信号处理电路、显示电路、示波器组成。其系统原理框图如图1所示。
f图1 系统原理框图
二、理论分析与计算
1.高中频原理
所谓高中频原理就是在混频中把频谱往上搬移，使中频信号高于要分析信号的频谱宽度，这样混频就不会出现频谱混乱，然后在用多级混频将频谱往下搬移至较低的频率，以便降低滤波器带宽和提高检波精度。
混频器把信号x1(t)和本振x2(t)相乘得到：
x(t)=
12
As(t+1θ 1) （1） 1coω
2
x(t)=Acos(ω2t+θ2) （2）
y(t)=x1(t)⨯x2(t)=A1A2cos[(ω1+ω2)t+θ1+θ2]/2+A1A2cos[(ω1-ω2)t+(θ1-θ2)]
（3）
有（3）式可知道混频后输出信号的频率成分是f2+f1和f2-f1,我们采用的下变频方式会将f2-f1取出，如果该中频在信号频带范围之内的时候，中频信号将含有f2+f1信号功率成分，形成镜像干扰，影响谱仪的分析精度，若是谱仪的中频高
于信号的最高频率，则不会产生镜像干扰。所以我们把中频设置在30几M以抗镜像干扰。但高的中频也带来了一些问题：滤波器的截止频率难以做窄，检波难以实现等。于是我们选择了多次变频的方式，将中频从30多M分两次下变频到455k,这样就可以利用455k的各种带宽的陶瓷滤波器来进行滤波。
当要实现倍频时，我们将同一路信号进行乘方：
y(t)=Acos(ωt+θ)⨯Acos(ωt+θ)=A2cos(2wt+2θ)/2+A2/2 （4） 通过一个高通滤波或者隔直电容之后的输出信号就是原输入信号频率的两倍，幅度通过放大器调整。
三、硬件电路设计
1.混频电路
采用AD835乘法器专用芯片，所构成的乘法器原理图如图2所示。 AD835但是一个电压输出四象限乘法器电路，能完成W=XY+Z功能，缩放比例系数U可利用在引脚端W和Z之间的电阻分压进行调节。乘法器的输出信号幅度可以随信号频率的升高略有增加，很好的弥补了DDS输出信号的幅度随频率的增加而小幅度降低的缺陷。
图2 AD835构成的乘法电路
2.低通滤波电路
本设计要求频谱分辨率为10kHz,所以每个间隔点为10kHz，以此频点作为中心，左右各5kHz范围内为有效值，所以滤波器需要5kHz的带宽。我们采用了低通滤波器，原理图如图3所示。
图3 低通滤波器
3.有效值检波器
为了提高检波精度，我们采用了AD637作为转换芯片构成的有效值检波器。AD637是一块高精度单片TRMS／DC转换器，可以计算各种复杂波形的真有效值。采用了峰值系数补偿，在测量峰值系数高达10的信号时附加误差仅为1% 。频带宽度在2V输入时可达8MHz。由于AD637芯片可以对输入的正弦信号峰值直接计算并输出其有效值，因此可以采用该芯片实现信号的峰值检测。其原理图如图4所示。
图4 有效值检波电路图
四、软件电路设计
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。
主程序流程图如图5所示。
图5 主程序流程图
五、数据测试与分析
1.测试仪器与环境
示波器：Tektionix TDS1001双通道数字示波器 100MHz
信号发生器：DDS函数信号发生器 30MHz
直流电源：电源电压220V市电,加到自制线性稳压电源上。有±5V、±12V和±15V可选。
测试环境：室温25℃ 2.数据记录与分析 （1）频率范围测试
测试条件为输入信号有效值20mV，数据记录如表1所示。
表1 频率范围测试
（2）幅度精度测试
结果：最大误差2mV 测量结果如表2所示。
表2 幅度精度测试
结果：在测量范围内，幅度精度较高,误差在2mV以内。
六、结论
该建议频谱分析仪的设计，很好的完成了基本部分，覆盖了10MHz-30MHz的频谱范围。频率分辨率可达10kHz，有较高的稳定度和测量精度，能在全频范围和特定频率范围内自动步进测量，可手动预置测量范围及步进频率值。实现了预置中心频率和扫频宽度。但由于设备和时间的局限，没有完成发挥部分。今后将继续完善电路和程序，力争完成所有指标。
简易频谱分析仪
摘要：本简易频谱分析仪以单片机为核心，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，经单片机处理，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。
关键词：单片机；DDS；混频器
一、系统方案设计
1.方案论证与选择 （1）本机振荡器
方案一：采用LC正弦波振荡器与变容二极管产生本振频率，通过改变变容二极管两端电压，使振荡电路输出频率发生改变。这是传统的振荡器电路形式，组成电路繁琐而且不易实现频率线性步进，而且要实现30M的频率变化范围难以实现。
方案二：采用FPGA实现。将正弦波信号的一个周期的离散样点的幅度数值量存于RAM中，以一定的地址间隔读出，经DA转换器转换输出，再经低通滤波滤除D/A带来的高次谐波，即可获得所需要的波形。但采用FPGA产生正弦波，通过改变地址步进间隔即可实现不同频率输出，但要以较小失真度产生30M正弦信号，比较困难
方案三：采用AD9850 DDS集成芯片来产生正弦波。芯片内部的DDS核与高速、高性能的DAC和比较器组合，构成了一个数字可编程的频率合成器和时钟信号发生器。外接一个精密的时钟源，AD9850可产生一个非常纯净的、频率和相位幅度可编程的正弦波信号输出。采用DDS电路只需少量外围元件就能构成一个完整的信号源，而且控制方便。
综上所述，我们选择方案三。 （2）混频电路
方案一：选用MC3362搭建混频电路。MC3362是MOTOROLA公司生产的单片窄带载频信号从MC3363的2脚输入，进行第一级混频后将差频为10.7MHz的第一中频信号从23脚输出，经中频为10.7M的陶瓷滤波器选频后再由21脚送到内部的第二混频级，将差频为0.455MHz的第二中频信号从7脚输出，经455kHz陶瓷滤波器选频，再经9脚送入MC3363的限幅放大器进行高增益放大。该方案只需一块集成芯片即可实现混频和中频输出，但其外围电路过于复杂，对输出噪声的抑制能力也较差。
方案二：采用AD835乘法器专用芯片。将本振信号和输入信号相乘得到二者频率的和差信号，达到混频的效果。AD835对小信号的乘法精度较高，不易产生输出新的频率分量，有250M的混频带宽，低噪声系数，简单的传输函数，只需要极少的外围元件。
综上所述，我们选择方案二来完成混频输出。 2.系统方案描述
本简易频谱分析仪由混频器、滤波器、有效值检波器、本机振荡器、扫描发生器、D/A转换器、信号处理电路、显示电路、示波器组成。其系统原理框图如图1所示。
f图1 系统原理框图
二、理论分析与计算
1.高中频原理
所谓高中频原理就是在混频中把频谱往上搬移，使中频信号高于要分析信号的频谱宽度，这样混频就不会出现频谱混乱，然后在用多级混频将频谱往下搬移至较低的频率，以便降低滤波器带宽和提高检波精度。
混频器把信号x1(t)和本振x2(t)相乘得到：
x(t)=
12
As(t+1θ 1) （1） 1coω
2
x(t)=Acos(ω2t+θ2) （2）
y(t)=x1(t)⨯x2(t)=A1A2cos[(ω1+ω2)t+θ1+θ2]/2+A1A2cos[(ω1-ω2)t+(θ1-θ2)]
（3）
有（3）式可知道混频后输出信号的频率成分是f2+f1和f2-f1,我们采用的下变频方式会将f2-f1取出，如果该中频在信号频带范围之内的时候，中频信号将含有f2+f1信号功率成分，形成镜像干扰，影响谱仪的分析精度，若是谱仪的中频高
于信号的最高频率，则不会产生镜像干扰。所以我们把中频设置在30几M以抗镜像干扰。但高的中频也带来了一些问题：滤波器的截止频率难以做窄，检波难以实现等。于是我们选择了多次变频的方式，将中频从30多M分两次下变频到455k,这样就可以利用455k的各种带宽的陶瓷滤波器来进行滤波。
当要实现倍频时，我们将同一路信号进行乘方：
y(t)=Acos(ωt+θ)⨯Acos(ωt+θ)=A2cos(2wt+2θ)/2+A2/2 （4） 通过一个高通滤波或者隔直电容之后的输出信号就是原输入信号频率的两倍，幅度通过放大器调整。
三、硬件电路设计
1.混频电路
采用AD835乘法器专用芯片，所构成的乘法器原理图如图2所示。 AD835但是一个电压输出四象限乘法器电路，能完成W=XY+Z功能，缩放比例系数U可利用在引脚端W和Z之间的电阻分压进行调节。乘法器的输出信号幅度可以随信号频率的升高略有增加，很好的弥补了DDS输出信号的幅度随频率的增加而小幅度降低的缺陷。
图2 AD835构成的乘法电路
2.低通滤波电路
本设计要求频谱分辨率为10kHz,所以每个间隔点为10kHz，以此频点作为中心，左右各5kHz范围内为有效值，所以滤波器需要5kHz的带宽。我们采用了低通滤波器，原理图如图3所示。
图3 低通滤波器
3.有效值检波器
为了提高检波精度，我们采用了AD637作为转换芯片构成的有效值检波器。AD637是一块高精度单片TRMS／DC转换器，可以计算各种复杂波形的真有效值。采用了峰值系数补偿，在测量峰值系数高达10的信号时附加误差仅为1% 。频带宽度在2V输入时可达8MHz。由于AD637芯片可以对输入的正弦信号峰值直接计算并输出其有效值，因此可以采用该芯片实现信号的峰值检测。其原理图如图4所示。
图4 有效值检波电路图
四、软件电路设计
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。
主程序流程图如图5所示。
图5 主程序流程图
五、数据测试与分析
1.测试仪器与环境
示波器：Tektionix TDS1001双通道数字示波器 100MHz
信号发生器：DDS函数信号发生器 30MHz
直流电源：电源电压220V市电,加到自制线性稳压电源上。有±5V、±12V和±15V可选。
测试环境：室温25℃ 2.数据记录与分析 （1）频率范围测试
测试条件为输入信号有效值20mV，数据记录如表1所示。
表1 频率范围测试
（2）幅度精度测试
结果：最大误差2mV 测量结果如表2所示。
表2 幅度精度测试
结果：在测量范围内，幅度精度较高,误差在2mV以内。
六、结论
该建议频谱分析仪的设计，很好的完成了基本部分，覆盖了10MHz-30MHz的频谱范围。频率分辨率可达10kHz，有较高的稳定度和测量精度，能在全频范围和特定频率范围内自动步进测量，可手动预置测量范围及步进频率值。实现了预置中心频率和扫频宽度。但由于设备和时间的局限，没有完成发挥部分。今后将继续完善电路和程序，力争完成所有指标。