柳　敏　李　白　楊靜竹

摘 要:簡(jiǎn)易頻譜分析儀基于外差原理,采用本機(jī)振蕩信號(hào)與被測(cè)信號(hào)混頻的方法實(shí)現(xiàn)該原理,可對(duì)頻率范圍在1MHz—30MHz之間的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,頻率分辨力和誤差均小于1KHz。該系統(tǒng)具有識(shí)別調(diào)幅、調(diào)頻和等幅波信號(hào)及測(cè)定其中心頻率的功能,可設(shè)置中心頻率和掃頻寬度。

關(guān)鍵詞:外差法;頻譜分析;混頻

中圖分類號(hào):TH871.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-3198(2009)18-0307-02

1 方案設(shè)計(jì)

(1)采用外差原理設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)頻譜分析,其參考原理框圖如圖1所示。

這要求頻率測(cè)量范圍為1MHz—30MHz,頻率分辨力為10kHz,輸入信號(hào)電壓有效值為20mV±5mV,輸入阻抗為50Ω?？稍O(shè)置中心頻率和掃頻寬度;借助示波器顯示被測(cè)信號(hào)的頻譜圖,并在示波器上標(biāo)出間隔為1MHz的頻標(biāo)。具有識(shí)別調(diào)幅、調(diào)頻和等幅波信號(hào)及測(cè)定其中心頻率的功能,采用信號(hào)發(fā)生器輸出的調(diào)幅、調(diào)頻和等幅波信號(hào)作為外差式頻譜分析儀的輸入信號(hào),載波可選擇在頻率測(cè)量范圍內(nèi)的任意頻率值,調(diào)幅波調(diào)制度ma=30%,調(diào)制信號(hào)頻率為20kHz;調(diào)頻波頻偏為20kHz,調(diào)制信號(hào)頻率為1kHz。

基本電路涉及放大電路,本振電路,混頻電路,濾波電路,有效值檢波以及各個(gè)模塊之間的耦合與匹配。

(2)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。

輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)放大,匹配輸入阻抗,使得信號(hào)幅度在最佳狀態(tài),1次混頻的掃頻本振由DDS產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)放大濾波后獲得,在30多MHz的中心頻率處做一個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)作為中頻濾波器。二次混頻的固定本振采用串聯(lián)晶體振蕩電路,產(chǎn)生高穩(wěn)定度的本振信號(hào),將信號(hào)頻譜搬移到10.7M,以便濾波器使用10.7M的標(biāo)準(zhǔn)中頻陶瓷濾波器。三次混頻和二次混頻類似,中頻濾波器通過(guò)455K帶通濾波器。再經(jīng)過(guò)均值檢波,A/D轉(zhuǎn)換,存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)部的RAM中,再經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)判斷送示波器X軸Y軸顯示。

采樣、控制部分采用89S52單片機(jī)和FPGA實(shí)現(xiàn),調(diào)配鍵盤(pán),顯示,實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 測(cè)量范圍(1M—30MHz)的理論分析

要求頻率測(cè)量范圍是1M—30MHz,對(duì)于這么寬的高頻帶,只能采用集成DDS芯片實(shí)現(xiàn)。采用AD9851,最高時(shí)鐘頻率為180MHz,輸出30MHz信號(hào)時(shí)每個(gè)周期的平均點(diǎn)數(shù)只有6個(gè),混疊失真比較嚴(yán)重。所以要想實(shí)現(xiàn)題目要求的指標(biāo),對(duì)AD9851輸出信號(hào)的濾波和放大等處理是比較關(guān)鍵的。

2.2 頻率分辨力的相關(guān)理論分析

要求的頻率分辨力是10KHz,即能分辨頻率之差為10KHz的信號(hào)。這一指標(biāo)包含了兩個(gè)意思:

(1)掃頻發(fā)生器的頻率步進(jìn)應(yīng)≤10KHz。(2)測(cè)得的頻率誤差應(yīng)≤10KHz。

2.3 帶通濾波器中心頻率及帶寬的確定

(1)中心頻率的確定。

對(duì)于等幅波,理論上譜線只有一根,只要濾波器帶寬合適,就可以消除鏡像頻率的干擾。但對(duì)于調(diào)幅和調(diào)頻波,就必須考慮鏡像頻率的干擾。設(shè)載波頻率為fc,中心頻率為fw,為了抑制鏡像頻率的干擾,需滿足: fc-20k+2fw≥fc+20k,即fw≥20KHz。綜合考慮濾波器的性能后,我們將fw定為45KHz。

(2)帶寬的確定。

根據(jù)題目給出的10KHz的頻率分辨力,為了防止頻譜混疊,濾波器帶寬應(yīng)≤10KHz。我們根據(jù)實(shí)際情況,最終將帶寬定在6KHz。

3 系統(tǒng)調(diào)試與指標(biāo)測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

采用分級(jí)調(diào)試的方法,先調(diào)試帶通濾波器、放大器、混頻器、晶體振蕩器等各個(gè)模塊都正常工作,其中檢波,A/D,D/A及AD9851模塊需結(jié)合程序來(lái)調(diào)試。再按功能實(shí)現(xiàn)按階段進(jìn)行調(diào)試。首先調(diào)試9851,先寫(xiě)一個(gè)掃頻程序,讓9851產(chǎn)生1M到30M的頻率,用示波器觀察9851出來(lái)的信號(hào)在正個(gè)掃頻范圍內(nèi)是否正常。再調(diào)試混頻器,用信號(hào)源輸出一個(gè)信號(hào),和9851輸出的信號(hào)混頻,混頻后的結(jié)果用示波器觀察,其頻譜應(yīng)該有兩根線,一個(gè)是兩個(gè)信號(hào)的頻率相加,一個(gè)是兩個(gè)信號(hào)的頻率相減。接下來(lái)就調(diào)試34.7M的帶通濾波器。由于在這么高的頻率上做一個(gè)帶通濾波器不是很容易,所以我們是先用射頻信號(hào)源把帶通濾波器調(diào)試好,就可以直接投入使用了。由于本系統(tǒng)有三級(jí)混頻,所以在后兩級(jí)混頻中還要有本振,我們采用的是晶振蕩器。晶體振蕩器的調(diào)試也是用示波器觀察,調(diào)試好后直接投入使用。然后就是檢波和A/D轉(zhuǎn)換,檢波的調(diào)試先讓9851輸出一個(gè)固定的頻率,然后改變信號(hào)源的頻率,用示波器觀察檢波后的直流量的變化規(guī)律是否正常。調(diào)試好檢波之后就調(diào)試A/D轉(zhuǎn)換器,這部分的調(diào)試要用CPU啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換和采樣,轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字量應(yīng)和輸入的模擬量相對(duì)應(yīng)。D/A的調(diào)試很方便,讓CPU輸出一個(gè)三角波的數(shù)字信號(hào)給D/A,用示波器觀察轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。在分別調(diào)整各個(gè)部分性能至最優(yōu)后進(jìn)行整體調(diào)試。

3.2 測(cè)量結(jié)果(如下表所示)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本上達(dá)到了要求。由于采用了高中頻原理,所以沒(méi)有鏡像干擾。但是采用的是AD637有效值檢波,由于其滯后特性,使得測(cè)得中心頻率點(diǎn)的峰值會(huì)有所減小,中心頻率滯后。我們通過(guò)來(lái)回兩次掃頻減小誤差。本系統(tǒng)的誤差來(lái)源還有濾波器的帶寬不夠窄,第一次混頻時(shí)的兩個(gè)高頻信號(hào)會(huì)互相干擾,致使頻譜不夠純凈,對(duì)后級(jí)的混頻濾波會(huì)有影響。

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