唐弟 楊藝敏

摘要：頻譜儀以STM32F103單片機(jī)作為主控電路，包含程控衰減模塊HMC624，濾波模塊、混頻模塊ADL5801、固定增益放大模塊adl5611、檢波模塊ad8310，利用鎖相環(huán)芯片ADF4351生成系統(tǒng)掃頻信號(hào)發(fā)生器，輸出的信號(hào)頻率范圍為35MHz到400MHz以上。頻譜儀采用兩級(jí)混頻，然后通過(guò)檢波器對(duì)第二中頻信號(hào)進(jìn)行模擬檢波，輸出直流信號(hào)給STM32的ADC腳進(jìn)行采集并處理，此外由程控衰減進(jìn)行參考電平的調(diào)節(jié)，最后通過(guò)TFT液晶屏顯示頻率和頻譜。該頻譜儀實(shí)現(xiàn)了實(shí)用頻譜儀的頻標(biāo)設(shè)置、掃頻寬度、參考電平等功能。

關(guān)鍵詞：STM32；ADF4351adl5801；混頻

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

技術(shù)不斷發(fā)展，信號(hào)頻率越來(lái)越高、精度要求越來(lái)越高、工程作業(yè)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜等等挑戰(zhàn)不斷催促著頻譜儀更新?lián)Q代。嵌入式ARM平臺(tái)已經(jīng)普遍地應(yīng)用于工程作業(yè)領(lǐng)域，因?yàn)槠渚哂薪艹龅牟倏匦院涂刂颇芰?，低功率消耗，低制造成本。所以研發(fā)頻譜分析儀的一種熱門(mén)的發(fā)展趨勢(shì)勢(shì)必是采用嵌入式ARM平臺(tái)來(lái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。在目前技術(shù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)等等形勢(shì)變化趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，所以在當(dāng)今依據(jù)國(guó)內(nèi)頻譜分析儀技術(shù)理論，通過(guò)參照不同類(lèi)型的頻譜分析儀的組成，結(jié)合ARM平臺(tái)和原理來(lái)設(shè)計(jì)和制造適合我國(guó)國(guó)情的的頻譜分析儀具有相當(dāng)大的現(xiàn)實(shí)意義。

1頻譜分析儀的方案設(shè)計(jì)

1.1頻譜儀整體的主要性能指標(biāo)

外差式頻譜儀重要參數(shù)有：可測(cè)量的頻率范圍，頻譜測(cè)量的頻率分辨率，能夠測(cè)量信號(hào)的垂直范圍，輸入靈敏度，鏡像抑制能力，還有頻譜儀固有的噪聲特性等。

1.2頻譜分析儀的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的頻譜分析儀主要包括信號(hào)變換模塊、信號(hào)處理模塊及顯示模塊，其中信號(hào)變換模塊主要包括衰減器、固定增益放大器、掃頻信號(hào)源、混頻電路、濾波電路、模擬檢波電路等組成；信號(hào)處理模塊主要ARM處理器作為核心處理器，通過(guò)ADC檢測(cè)對(duì)數(shù)檢波后輸出的相應(yīng)電平值，并將相關(guān)頻譜參數(shù)顯示在屏幕上，掃頻寬度、參考電平、掃頻時(shí)間等可使用相應(yīng)按鍵來(lái)設(shè)定。整個(gè)系統(tǒng)分成若干部分，其功能逐一實(shí)現(xiàn)最后組合在一起調(diào)試直到成功。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1輸入衰減電路硬件設(shè)計(jì)

HMC624ALP4E的NF（噪聲系數(shù)）值達(dá)到了2.2dB，衰減誤差為0.25dB，供電電壓為單電源3-5V，串行調(diào)節(jié)方式使用的管腳少，SPI串行控制由CLK（ 時(shí)鐘 ）、DATA（數(shù)據(jù) ）、LE（ 使能）三線一起控制完成。

2.2鏡像抑制濾波電路設(shè)計(jì)

采用外差式原理設(shè)計(jì)的頻譜儀采用混頻變頻來(lái)進(jìn)行頻率測(cè)量的，即將輸入信號(hào)變換到固定中頻然后進(jìn)行測(cè)量。但會(huì)發(fā)現(xiàn)輸入信號(hào)高頻信號(hào)時(shí)，也可與LO（本振信號(hào)）混至設(shè)計(jì)的中頻頻率，所以這個(gè)高頻信號(hào)被稱(chēng)為鏡像頻率。

這里采用的是九階低通濾波器，通帶頻率為450MHZ，帶內(nèi)波動(dòng)是0.05，同時(shí)，阻帶設(shè)計(jì)為500MHZ。通過(guò)濾波器的仿真設(shè)計(jì)軟件（filter solution）獲得濾波器參數(shù)。

2.3增益放大電路設(shè)計(jì)

放大電路使用低噪放可以降低整個(gè)系統(tǒng)系統(tǒng)的noise figure（噪聲系數(shù)），放大器的選擇是非常重要的。前端放大電路的選擇指標(biāo)一般根據(jù)噪聲低噪聲系數(shù)，同時(shí)還要考慮放大器的工作頻率區(qū)間、帶內(nèi)增益平坦度（幅頻特性曲線）、輸入輸出回?fù)p、PIdB（1dB 壓縮點(diǎn)）等，本次設(shè)計(jì)選擇的放大器采用的是ADI公司的固定增益放大器ADL5611，該芯片的工作頻率在30MHZ-6000MHZ，符合設(shè)計(jì)要求，。

2.4混頻電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的兩級(jí)混頻電路選擇的都是雙平衡有源混頻器adl5801，它的混頻損耗低，能夠?qū)崿F(xiàn)10-6000MHZ的混頻，IF（中頻）輸出具有出色的LO（本振）和RF（射頻輸入）泄露抑制能力，能夠達(dá)到40dBm的效果，同時(shí)該芯片混頻的線性度高，同時(shí)具有較高的噪聲系數(shù)。

2.5中頻濾波器電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用的是兩級(jí)混頻，為了抑制鏡像頻率，同時(shí)方便輸入濾波器以及掃頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)，根據(jù)市場(chǎng)上高頻濾波器的值，將第一中頻信號(hào)頻率選擇為506MHZ，因?yàn)楹蠹?jí)檢波采用的是模擬檢波，為獲得較快的，同時(shí)為了達(dá)到20KHZ的頻率分辨率，本設(shè)計(jì)將第二中頻設(shè)計(jì)在45MH，選擇帶寬較窄的晶體濾波器，以達(dá)到較高的頻率分辨率。

2.6檢波電路電路設(shè)計(jì)

中頻選擇的是模擬中頻方波通過(guò)對(duì)數(shù)檢波器實(shí)現(xiàn)檢波，這里選用的是ADI公司的ad8310，該芯片可以達(dá)到95dB的動(dòng)態(tài)范圍，輸出電路與輸入信號(hào)功率變換曲線為24mv/dB，檢波響應(yīng)時(shí)間低于15ns，檢波速度快，同時(shí)檢波范圍寬，線性度好，可以達(dá)到本設(shè)計(jì)的40dB的垂直分辨率。

2.7掃頻信號(hào)源設(shè)計(jì)

因?yàn)闇y(cè)試信號(hào)的頻率范圍為50MHZ-400MHZ，根據(jù)第一中頻的頻率為506MHZ，掃頻信號(hào)源的頻率范圍556-906MHZ

掃頻信號(hào)源一般選擇DDS（直接數(shù)字頻率合成）和pll（鎖相環(huán)），當(dāng)頻率過(guò)大時(shí)，DDS實(shí)現(xiàn)難度較大，所以這里選擇了PLL作為本設(shè)計(jì)的掃頻信號(hào)源。結(jié)合掃頻速度、掃頻信號(hào)源的輸出頻率范圍、頻率分辨率等指標(biāo)，這里選擇使用adf4351作為掃頻信號(hào)源。

2.7信號(hào)處理與控制模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主控芯片選擇的是集成Cortex-M4內(nèi)核的st公司生產(chǎn)的stm32f429，該處理器能夠達(dá)到180MHZ主頻，內(nèi)部集成了3路（每路八通道）12位AD，精度可以達(dá)到0.8mv（3300/4096），同時(shí)自帶了tft控制器，同時(shí)具有較高的浮點(diǎn)運(yùn)算能力。因?yàn)樵撔酒詭ft控制器，而且驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率很快，可以達(dá)到很快的顯示速度，同時(shí)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，符合該設(shè)計(jì)的要求，所以選擇了該芯片。

3頻譜分析儀的的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用stm32f4系列集成cortex-m4內(nèi)核和tft控制器的stm32f429作為核心處理器。主要通過(guò)控制衰減器hmc624實(shí)現(xiàn)參考電平可調(diào)的功能，同時(shí)根據(jù)頻譜儀檢測(cè)的其實(shí)頻率和停止頻率來(lái)控制掃頻信號(hào)源的輸出頻率，以及頻率步進(jìn)值，通過(guò)ad檢測(cè)模擬檢波器ad8310的輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的幅度檢測(cè)，并對(duì)應(yīng)頻率的幅度值顯示在tft顯示屏上面。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1本振輸出信號(hào)頻譜檢測(cè)

本振模塊采用ADF4351設(shè)計(jì)，讓鎖相環(huán)輸出固定頻率值，用頻譜儀觀察測(cè)量輸出信號(hào)頻譜，頻譜儀顯示頻譜如圖2：

4.2系統(tǒng)整機(jī)測(cè)試

由于輸入測(cè)量信號(hào)在30-450MHZ，所以需要射頻信號(hào)源，從輸入端接上射頻信號(hào)發(fā)生器，讓射頻信號(hào)源輸出信號(hào)頻率為420MHZ的AM信號(hào)，然后通過(guò)本次設(shè)計(jì)的頻譜儀測(cè)量并與實(shí)驗(yàn)室的頻譜儀測(cè)試圖片進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如圖3所示：

5總結(jié)

頻譜分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)有著重要的意義，本次設(shè)計(jì)要求制作一個(gè)頻率測(cè)量范圍為50-400MHZ、垂直分辨率達(dá)到40dB的頻譜分析儀。根據(jù)系統(tǒng)要求，利用鎖相環(huán)芯片adf4351設(shè)計(jì)出了適合本系統(tǒng)的掃頻信號(hào)源，輸出頻率誤差幾khz，能夠達(dá)到本設(shè)計(jì)的要求，采用雙平衡混頻器adl5801實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的頻率搬移，濾出到較低中頻，第一中頻使用506MHZ帶通濾波器實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)鏡像抑制，利用衰減器hmc624實(shí)現(xiàn)了參考電平可調(diào)節(jié)的功能，同時(shí)通過(guò)軟件根據(jù)輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)頻率最大設(shè)置了至少兩個(gè)mark點(diǎn)，基本上能達(dá)到滿意的結(jié)果。

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