设计一个简易频谱分析仪的详细论文资料说明

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上传日期: 2019-09-19

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标签:DDS(396)频谱分析仪(183)滤波器(2672)fpga(10195)

  本简易频谱分析仪由模拟高中频部分、显示处理部分和波形控制部分组成。模拟高中频部分采用了二次混频结构,混频采用模拟乘法器实现,第一级扫频本振和第二级点频本振均采用DDS技术产生,滤波器采用不同Q值的晶体滤波器,检波采用经典的AM 非相干检波。示波器的显示采用FPGA 控制,DDS 的配置和系统的总体控制采用单片机完成。系统采用了独特的一键式自动测量,操作简单。系统整体指标好,频率分辨力达到了200Hz,能够正确识别调幅、调频和等幅波三种波形及其调制带宽。

  题目给出了简易频谱分析仪的原理参考框图,如图1。

  根据外差式频谱分析仪的原理,图1中方案实现的关键在于本机振荡器、混频器、滤波器和检波器等高中频部分。各部分方案如下:

  1)本机振荡器方案:图1 中本机振荡器的输出应为线性的扫频输出,其输出的频率范围应与输入信号的测试范围一致。产生线性扫频输出的方法有两种:压控振荡器法和直接数字合成法。压控振荡器(VCO)法采用线性的锯齿电压输入去控制其输出的频率,其优点是电路简单,缺点是频率控制的精度较差,在频率范围较大时扫频的线性性难以保证,从而影响到频谱分析仪的频标精度;直接数字合成(DDS)法采用数字方式直接合成所需的波形,因而其输出频率的分辨力和精度高,宽范围扫频输出的线性好,有许多现成的DDS集成电路可供选择,其缺点是DDS的配置和控制时序相对复杂,需要单片机或可编程器件进行控制。

  2)混频器方案:图1 中的混频器可以利用二极管的非线性实现或采用集成的模拟乘法器实现。采用二极管实现时因分立元件较多,因此电路较为复杂,调试也相对困难,而模拟乘法器的电路和调试都相对容易。

  3)滤波器方案:图1 中的滤波器也是整个频谱分析仪实现的关键环节,它决定了频谱分析仪输出频谱的分辨力和形状。常用的滤波器有LC 滤波器、陶瓷滤波器和晶体滤波器等种类。LC滤波器可以利用计算机辅助软件设计出各种类型和特性要求的滤波器,但其设计和调试的过程相对复杂,而且其Q值很难做高;陶瓷滤波器有许多现成的标准商品可供选择,Q 值较高,但其频率范围和工作频点较少,插入损耗较大;晶体滤波器最大的优点是Q值很高,既有标准的现成商品可供选择,也可以利用晶体谐振器电路实现,从而使得其工作频率的选择更加灵活。

  4)检波器方案:图1 中的检波器作用是完成输出调幅信号的解调,采用经典的AM非相干检波电路即可。另外,采用高速的数据采集和处理器件,还可以直接对混频、滤波后的中频信号进行采样和滤波、检波处理,使得系统的设计和调试更加灵活、方便,系统达到的指标更好。但是该方法涉及的知识较深、算法较多、高速信号采集和处理的电路复杂,实现较为困难。

  5)显示控制方案:题目要求频谱分析仪的输出借助示波器来显示。示波器的显示除了需要将解调后的信号输入到其Y轴外,还需要同步产生一个线性锯齿电压给X轴。频标则可以利用Z轴或其他方式实现。另外,系统还要求能够自动识别不同的调制信号。为此,系统中还需要一个数据采集和处理系统,以完成对示波器显示的控制和对信号的处理和识别。

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