宋秀慧，郭迎娣

(烟台职业学院电子工程系，山东烟台264670)

简易频谱分析仪设计方案论证与比较

宋秀慧，郭迎娣

(烟台职业学院电子工程系，山东烟台264670)

利用超外差原理设计并实现对1MHz～30MHz信号的频谱分析，系统主要由混频、本振信号发生、中频滤波，包络检波、示波器控制、数据采集、人机接口等模块构成，通过对各模块的设计方案进行论证和比较，最终实现以单片机和FPGA作为核心控制器件的简易频谱分析仪设计。

频谱分析仪;超外差原理;论证与比较

1 设计要求

采用超外差原理设计并实现频谱分析仪，要求频率测量范围为1MHz～30MHz，频率分辨率为10KHz，输入信号电压有效值为5m V～20m V，输入阻抗为50Ω。系统可设置中心频率和扫描宽度，频谱在示波器上显示，同时系统还应具有识别调幅、调频等幅波信号及测定其中心频率的功能。

2 系统总体设计

本系统采用超外差原理设计，系统主要由混频、本振信号发生、中频滤波、包络检波、示波器控制、数据采集、人机接口等模块构成。系统框图如图1所示。

图1 系统原理方框图

3 模块方案论证与比较

3.1 混频器

方案一，采用二极管混频。原理框图如图2所示。

图2 二极管混频原理框图

其结构类似于二极管调幅器，它是利用二极管的非线性工作特性完成频率变换的作用。它具有电路简单、噪声低、组合频率分量少、工作频带宽等优点。但它的主要缺点是混频增益小于1，且分立元件调试困难，较难达到精度要求［1］。

方案二，采用模拟乘法器实现。原理框图如图3。

图3 模拟乘法器实现混频

设输入信号US=VScos2πfSt，本振信号为UL= VLcos2πfLt，则乘法器输出为 UC=VScos2πfSt* VLcos2πfLt，积化和差得:

即:f0=fL－fS，

得到中频f0，实现了频率搬移。乘积混频器可大大减小组合频率分量产生的干扰，具有体积小、易调整、稳定性好、可靠性高等优点。与二极管混频器相比较，乘积混频器的特点是混频增益大，而且输入端只需要电压激励，一般不必加功率匹配网络，使用比较方便。

本系统选用方案二，采用单片低失真混频器AD831，完全可以达到设计要求。

3.2 本振信号发生

方案一，锯齿波电压控制压控振荡器实现。如图4，本地振荡器为一线性压控振荡器，在扫描发生器输出的锯齿波电压作用下，本地扫频振荡的频率与之成正比，以固定步进在1MHz～30MHz范围内循环输出。而锯齿波电压同时也作为示波器X轴偏转信号，因而X轴就成了频率标轴。此方案优点是输出锯齿波电压直接作为示波器X轴偏转电压，外围电路简单。但此方案示波器显示控制不够灵活，且对压控振荡器的线性度要求严格，否则测频精度会受到影响。

图4 锯齿波电压控制压控振荡器

方案二，由FPGA通过DDS产生fL。DDS技术的主要优点是相位连续、频率分辨率高、频率转换速度快以及良好的可复制性能［2］。但按设计要求，频率输出要达到30MHz，假设周期取样不小于32点，则要求D/A的转换时间小于1ns，对D/A速度要求太高，必须锁相倍频才能达到设计要求，但增加了硬件调试难度，同时存在费用高、器件选择困难等问题。

方案三，采用专用DDS集成芯片实现。此方案很好的解决了方案二存在的问题，且控制较方案一、方案二简单，外围器件少。

本系统选择方案三，由高集成度频率合成器AD9851来产生本振，AD9851内含可编程DDS系统和高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成，完全满足设计要求。

3.3 中频及其滤波器

方案一，采用普通带通滤波器实现，这样中频可以相对自由的选择，但由于此处要求滤波器的选择性特别高，其性能将直接影响系统性能，故欲达到较好的滤波效果，电路复杂，元件多，调试困难。

方案二，采用晶体滤波器。单片晶体滤波器(MCF)是在石英基片表面配置若干对金属电极而构成的带通或带阻滤波器。它利用压电效应的能陷入理论，选择电极振子的几何尺寸、返回频率和电极振子间距控制超声波的声学耦合，从而达到滤波之目的［3］。其特点是频率选择度十分陡峭、损耗低、稳定性好、阻带衰减高，所以非常适合本系统中的中频滤波。

本系统中频滤波选择方案二。由于中频选择太高时，本振频率也相对较高，如选择10MHz中频，则要实现对1M～30MHz范围信号频谱分析，本振要达到40MHz，同时较高的中频增加了后级处理的难度，故我们选用465KHz中频。

3.4 检波

检波电路的输入为频率465KHz幅度变化的中频信号，所以选择常用的二极管包络检波，电路简单，且性能完全可以满足系统要求。

图5二极管包络检波器

图5 所示为二极管包络检波器基本电路，电路中R和C分别为负载电容和负载电阻，并要求C对高频信号近似短路，对低频信号近似开路。R要远大于二极管导通时的内阻rd。该电路在大信号(0.5V以上)输入时，输出信号近似为输入信号的峰值(包络)。RC时间常数越大，越接近输入电压峰值。但RC过大，二极管导通电压截止时，C放电过慢，使输出电压在输入信号包络下降的区段跟不上包络的变化，这种失真称为惰性失真。不产生惰性失真条件为:

系统所选中频为465K，选择 R=10KΩ，C= 1nF，符合要求。经测试，无明显失真，有约20%的衰减，可达到系统要求。

检波二极管要求正向压降小，检波效率高，结电容小，频率特性好，常采用锗材料点接触型结构。实际电路中采用2AP9，参数如下:

反向工作电压:＞10V 正向电流:＞8m A

反向峰值击穿电压:＞20V最大整流电流:＞5m A

截止频率:＞100MHz 零偏压电容:≤1P F

检波效率:≥65% 反向电流:≤200μA

3.5 示波器控制

方案一，采用单片机控制。单片机输出周期锯齿波作为X轴控制信号，频谱信号作为Y轴输入，使用示波器X－Y触发模式可显示信号频谱。欲使示波器显示稳定的波形，示波器的刷新率至少为20帧/秒。但由于单片机速度限制，若显示图像点数过多，则可能因刷新次数不足，导致显示闪烁。

方案二，单片机与FPGA共同控制。采用FPGA实现扫描，可以弥补单片机的速度问题。单片机将控制示波器显示的X轴、Y轴坐标值送入由FPGA内部EAB生成的双口RAM中，然后由FPGA循环取出送入高速DA控制示波器显示，由于刷新速度的提高，可在示波器上显示较多信息，而且显示效果较好。

本系统采用方案二，采用FPGA与单片机配合来控制示波器，除能实现频谱实时显示、滚动显示、局部放大等功能外，由于FPGA的高速性能，还增加了刻度、汉语提示以及一些必要的字符标注，使得本系统操作界面更加友好，这是该系统的特色之一。

3.6 信号采集与处理

当本振为某一固定频率信号时，检波输出可视为直流，对其AD采样即可获得该频率对应的频谱信息，由于扫频速度并不快，所以此处由最常见的ADC0809即可完成采样［4］。AD采样后送入单片机进行处理，通过编程可实现信号频谱显示、中心频率测定、信号识别等功能。

4 结束语

本系统以单片机和FPGA作为核心控制器件，采用超外差原理设计并实现了对1MHz～30MHz信号的频谱分析。系统主要由扫频信号发生、混频、包络检波、数据采集、示波器控制、人机接口等模块组成。前级采用单片低失真度混频芯片AD831和高精度DDS集成芯片AD9851实现了对输入信号的下变频，由高性能晶体滤波器滤出中频信号。后级采用ADC0809采集检波器输出频谱信息，以数字方式实现了信号的频谱显示、中心频率测定、信号识别、频谱存储等功能。

［1］王志刚.现代电子线路［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［2］冷建华，李萍，王良红.数字信号处理［M］.北京:国防工业出版社，2002.

［3］黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程［M］.北京:电子工业出版社，2005.

［4］吴运昌.模拟集成电路原理与应用［M］.广州:华南理工大学出版社，2001.

(责任编辑 孙胜文)

TN98

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1673－5382(2014)01－0087－03

2013－11－27

宋秀慧(1980－)，女，山东烟台莱山区人，烟台职业学院电子工程系助教.