基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)的頻譜分析儀設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　直接數(shù)字頻率合成(DDS)是近幾年一種新型的頻率合成法，其具有頻率切換速度快，頻率分辨率高，以及便于集成等優(yōu)點(diǎn)。在此，設(shè)計(jì)了基于DDS的頻譜分析儀，該頻譜分析儀依據(jù)外差原理，被測(cè)信號(hào)與本征頻率混頻，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜分析。

　　　圖1給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，主要由本機(jī)振蕩電路、混頻電路、放大檢波電路、頻譜輸出顯示電路等組成。通過單片機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)共同控制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MAXl97采集，并送至單片機(jī)處理，最后由示波器顯示頻譜圖像和液晶顯示相關(guān)信息。

　　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)。

　　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。但缺點(diǎn)是輸出偏置電壓較高，其典型值為±25 mV，故后級(jí)需加隔直電路。

　　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。

　　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。

　　3 理論分析與計(jì)算

　　3.1 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，中心頻率約100 kHz，但考慮到采用MAX274設(shè)計(jì)濾波器的難度，將中心頻率調(diào)至70 kHz。

　　3.2 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。

　　由圖2可知，fΩ影響每根譜線之間的間隔，fΩ越小，頻譜線的間隔也越小，頻譜看起來(lái)越緊密;fΩ越大，頻譜線間隔越大，頻譜看起來(lái)則越稀松。但頻譜占用帶寬是不變的。

　　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。

　　3.3 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" (2)

　　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。

　　4 硬件電路設(shè)計(jì)

　　4.1 本機(jī)振蕩電路

　　AD985l內(nèi)部含有高速、高性能的10位D/A轉(zhuǎn)換器，可用作全數(shù)字編程控制的頻率合成器。在外接精密參考頻率源時(shí)，其產(chǎn)生頻譜純凈、頻率和相位可編程控制，且穩(wěn)定的模擬正弦波。圖3給出其系統(tǒng)功能原理框圖。采用AD985l作為DDS信號(hào)源，產(chǎn)生所需掃頻信號(hào)。為避免高頻干擾，采用PCB板實(shí)現(xiàn)。

　　由于AD985l產(chǎn)生的信號(hào)含有一定的高頻諧波，因而可采用低通橢圓濾波器濾除高頻分量。AD985l輸出信號(hào)幅值不穩(wěn)定，且不符合AD835的輸入要求，因而采用AD603程控放大。AD603單片增益范圍為一10～+30 dB，輸入控制電壓范圍為0~1V，增益與控制電壓的關(guān)系為Gain(dB)=40Vg+10。而AD603的輸入控制電壓由單片機(jī)通過D/A轉(zhuǎn)換器提供。D/A轉(zhuǎn)換器采用MAX5532。

　　4.2 混頻電路

　　該系統(tǒng)采用AD835作為混頻器，其輸入信號(hào)是X1與Y1相乘后混頻。X1，Y1的輸人電壓范圍在一1～+l V較為合適，Vpp至少應(yīng)大于50 mV。使用AD835混頻時(shí)應(yīng)注意輸入混頻器的信號(hào)中不能疊加直流分量。要使直流分量的頻率為O，使得輸出信號(hào)中有另一輸入信號(hào)不能發(fā)揮混頻器的作用。圖4給出混頻電路。

　　4.3 帶通濾波電路

　　在確定帶通濾波器的中心頻率為70 kHz后，利用MAX274濾波器設(shè)計(jì)軟件，以完成軟件設(shè)計(jì)。圖5為帶通濾波器的設(shè)計(jì)。

　　4.4 A/D轉(zhuǎn)換器

　　經(jīng)AD637轉(zhuǎn)換后的信號(hào)需再經(jīng)MAXl97實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，并送至控制系統(tǒng)處理。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用8通道，12位MAXl97實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。MAXl97的最小分辨精度可以達(dá)到5/4 096=1.22 mV，該器件一共有O~5V，0~10V，一5～+5 V，一lO～+10 V 4種量程.且外圍電路簡(jiǎn)單。

　　5 測(cè)試結(jié)果

　　采用Tektronix數(shù)字示波器TDSl002和Agilent信號(hào)源33120A進(jìn)行測(cè)試。表1為等幅波形測(cè)量值，表2為調(diào)幅信號(hào)測(cè)量值，表3為調(diào)頻信號(hào)的測(cè)量值。由表1～表3可見，該系統(tǒng)具有識(shí)別調(diào)幅、調(diào)頻和等幅波信號(hào)的功能。表4給出該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中各性能的實(shí)測(cè)結(jié)果。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　該系統(tǒng)依據(jù)外差原理.采用單片機(jī)與FPGA相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)頻率范圍為l～30 MHz信號(hào)的頻譜分析。測(cè)試結(jié)果證明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，人機(jī)交互界面友好，操作簡(jiǎn)易方便。