基于PIC32的高性能掃頻調(diào)諧頻譜分析儀設(shè)計(jì)方案

一、引言

頻譜分析儀是研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號(hào)失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號(hào)參數(shù)的測(cè)量，可用以測(cè)量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測(cè)量?jī)x器。掃描調(diào)諧頻譜分析儀基本結(jié)構(gòu)類似超外差式接收器,工作原理是輸入信號(hào)經(jīng)衰減器直接外加到混頻器,可調(diào)變的本振信號(hào)經(jīng)混頻器與輸入信號(hào)混頻降頻后的中頻信號(hào)(IF)再放大后經(jīng)AD采樣顯示。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示，該分析儀主要由DDS模塊、混頻電路、放大檢波電路、頻譜輸出顯示電路、鍵盤、主控部分等組成。通過(guò)PIC32控制AD985l，以產(chǎn)生正弦掃頻輸出信號(hào)，然后經(jīng)濾波、程控放大得到穩(wěn)定輸出，與經(jīng)放大處理的被測(cè)信號(hào)混頻，再經(jīng)放大、濾波、檢波后，由ADS830E采集，并送至PIC32處理，最后由液晶顯示頻譜圖和相關(guān)信息。

圖1-系統(tǒng)框圖

1、振蕩電路采用DDS器件AD9851，只需少量的外圍器件即可構(gòu)成完整的信號(hào)源，且具有轉(zhuǎn)換速度快，分辨率高，換頻速度快，頻帶寬，控制方便，信號(hào)穩(wěn)定等特點(diǎn)。

2、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(jiǎn)單，且調(diào)試方便。

3、濾波電路采用專用濾波器MAX274，其優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)。外圍電路簡(jiǎn)單，便于設(shè)定濾波器的中心頻率、增益、截止頻率及帶寬，并能根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)不同類型、不同階數(shù)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(shí)現(xiàn)。因此這里采用下混頻，只需設(shè)置一個(gè)中頻窄帶濾波器即可。

4、檢波采用集成真有效值變換器件AD637，其測(cè)量信號(hào)有效值高達(dá)7 V，精度為0.5%，且外圍電路簡(jiǎn)單，頻帶寬。

三、理論分析與計(jì)算

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(hào)，為了保證輸出具有一定強(qiáng)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(shí)就需較長(zhǎng)的掃頻時(shí)間，從而影響儀器的數(shù)據(jù)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，中心頻率為100KHz，但考慮到MAX274設(shè)計(jì)濾波器的難度，將中心頻率調(diào)至70 kHz。

2 波形識(shí)別與中心頻率判斷

等幅波形頻率比較單一，其頻譜也較簡(jiǎn)單，只有一條頻譜線。如果調(diào)制信號(hào)為單音余弦波f(t)=cos(ωt)，則AM調(diào)幅波的表達(dá)式為：

式中：ma為調(diào)制指數(shù);VCM為載波振幅。

單音調(diào)頻信號(hào)的頻譜相對(duì)復(fù)雜，可設(shè)調(diào)制信號(hào)頻率為fΩ;調(diào)制頻偏為△f，則信號(hào)帶寬近似為2△f;譜線間間隔為調(diào)制信號(hào)頻率fΩ，而各個(gè)譜線的高度則由貝塞爾函數(shù)得到。△f反映調(diào)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。

根據(jù)不同波形的頻譜特征進(jìn)行識(shí)別，在得到一個(gè)最大幅值和對(duì)應(yīng)的頻率后，再在剩下的點(diǎn)中找出第2個(gè)最大值A(chǔ)2和對(duì)應(yīng)頻率f2，然后判斷(f1+f2)/2對(duì)應(yīng)點(diǎn)的幅值，若較大，則為調(diào)頻波，(f1+f2)/2即為它的中心頻率;若很小，則是調(diào)幅波或等幅波,f1則為中心頻率。由于調(diào)幅波帶寬為20kHz，只需判斷(f1-20)或(f1+20)的點(diǎn)值，若很小，為等幅波，否則是調(diào)幅波。

3 正弦電壓有效值計(jì)算

AD637的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括有源整流器(即絕對(duì)值電路)、平方/除法器、濾波放大器、獨(dú)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(gòu)成有源濾波器濾波，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。根據(jù)AD637數(shù)據(jù)資料所給出的真有效值的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

Vrms=Vin2/Vrms

式中：Vin為輸入電壓;Vrms為輸出電壓有效值。

測(cè)量其峰值系數(shù)高達(dá)10的信號(hào)時(shí)，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(hào)，一3 dB帶寬為600 kHz：有效值為l V的信號(hào)，一3 dB帶寬為8 MHz。同時(shí)，AD637可用dB表示輸入信號(hào)電平，計(jì)算多種波形的有效值、平均值、均方值和絕對(duì)值。

四、程序流程圖

圖2-主程序流程圖

圖3-掃頻流程圖

圖4-增益控制流程