基于直接數字頻率合成的頻譜分析儀設計方案

　　1、引言
　　
　　直接數字頻率合成（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，以及便于集成等優點。在此，設計了基于DDS的頻譜分析儀，該頻譜分析儀依據外差原理，被測信號與本征頻率混頻，實現信號的頻譜分析。
　　
　　2、系統設計
　　
　　圖1給出系統設計框圖，主要由本機振蕩電路、混頻電路、放大檢波電路、頻譜輸出顯示電路等組成。通過單片機和現場可編程門陣列（FPGA）共同控制AD985l，以產生正弦掃頻輸出信號，然后經濾波、程控放大得到穩定輸出，與經放大處理的被測信號混頻，再經放大、濾波、檢波后，由MAXl97采集，并送至單片機處理，zui后由示波器顯示頻譜圖像和液晶顯示相關信息。
　　振蕩電路采用DDS器件AD9851，只需少量的外圍器件即可構成完整的信號源，且具有轉換速度快，分辨率高，換頻速度快，頻帶寬，控制方便，信號穩定等特點。
　　
　　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2Vpp，一3dB帶寬，250MHz，外圍電路簡單，且調試方便。但缺點是輸出偏置電壓較高，其典型值為±25mV，故后級需加隔直電路。
　　
　　濾波電路采用濾波器MAX274，其優點是易于實現。外圍電路簡單，便于設定濾波器的中心頻率、增益、截止頻率及帶寬，并能根據不同需求設計不同類型、不同階數的濾波器。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，這很難實現。因此這里采用下混頻，只需設置一個中頻窄帶濾波器即可。
　　
　　檢波采用集成真有效值變換器件AD637，其測量信號有效值高達7V，精度為0．5％，且外圍電路簡單，頻帶寬。
　　
　　3、理論分析與計算
　　
　　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，為了保證輸出具有一定強度，窄帶寬就要求低掃頻速率，而低掃頻速率在大范圍掃頻時就需較長的掃頻時間，從而影響儀器的數據輸出率。按照要求分率為1kHz。所以選定窄帶濾波器的帶寬為500Hz，中心頻率約100kHz，但考慮到采用MAX274設計濾波器的難度，將中心頻率調至70kHz。
　　
　　3．2波形識別與中心頻率判斷
　　
　　等幅波形頻率比較單一，其頻譜也較簡單，只有一條頻譜線。如果調制信號為單音余弦波f（t）=cos（ωt），則AM調幅波的表達式為：　　
　　式中：ma為調制指數；VCM為載波振幅。
　　
　　單音調頻信號的頻譜相對復雜，可設調制信號頻率為fΩ；調制頻偏為△f，則信號帶寬近似為2△f；譜線間間隔為調制信號頻率fΩ，而各個譜線的高度則由貝塞爾函數得到。△f反映調頻波所占帶寬，△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，頻譜看起來越緊密；fΩ越大，頻譜線間隔越大，頻譜看起來則越稀松。但頻譜占用帶寬是不變的。　　
　　根據不同波形的頻譜特征進行識別，在得到一個zui大幅值和對應的頻率后，再在剩下的點中找出第2個zui大值A2和對應頻率f2，然后判斷（f1+f2）／2對應點的幅值，若較大，則為調頻波，（f1+f2）／2即為它的中心頻率；若很小，則是調幅波或等幅波,f1則為中心頻率。由于調幅波帶寬為20kHz，只需判斷（f1-20）或（f1+20）的點值，若很小，為等幅波，否則是調幅波。
　　
　　3．3正弦電壓有效值計算
　　
　　AD637的內部結構包括有源整流器（即值電路）、平方／除法器、濾波放大器、獨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，也可構成有源濾波器濾波，提高測量準確度。根據AD637數據資料所給出的真有效值的經驗計算公式：
　　
　　Vrms="Vin2/Vrms"（2）
　　
　　式中：Vin為輸入電壓；Vrms為輸出電壓有效值。
　　
　　測量其峰值系數高達10的信號時，采用AD637，其附加誤差僅為l％，外圍元件少，頻帶寬。有效值為200mV的信號，一3dB帶寬為600kHz：有效值為lV的信號，一3dB帶寬為8MHz。同時，AD637可用dB表示輸入信號電平，計算多種波形的有效值、平均值、均方值和值。
　　
　　4、硬件電路設計
　　
　　4．1本機振蕩電路
　　
　　AD985l內部含有高速、高性能的10位D／A轉換器，可用作全數字編程控制的頻率合成器。在外接精密參考頻率源時，其產生頻譜純凈、頻率和相位可編程控制，且穩定的模擬正弦波。圖3給出其系統功能原理框圖。采用AD985l作為DDS信號源，產生所需掃頻信號。為避免高頻干擾，采用PCB板實現。
　　
　　由于AD985l產生的信號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輸出信號幅值不穩定，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～+30dB，輸入控制電壓范圍為0~1V，增益與控制電壓的關系為Gain（dB）=40Vg+10。而AD603的輸入控制電壓由單片機通過D／A轉換器提供。D／A轉換器采用MAX5532。
　　
　　4．2混頻電路
　　
　　該系統采用AD835作為混頻器，其輸入信號是X1與Y1相乘后混頻。X1，Y1的輸人電壓范圍在一1～+lV較為合適，Vpp至少應大于50mV。使用AD835混頻時應注意輸入混頻器的信號中不能疊加直流分量。要使直流分量的頻率為O，使得輸出信號中有另一輸入信號不能發揮混頻器的作用。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70kHz后，利用MAX274濾波器設計軟件，以完成軟件設計。圖5為帶通濾波器的設計。　　
　　4．4A／D轉換器
　　
　　經AD637轉換后的信號需再經MAXl97實現A／D轉換，并送至控制系統處理。該系統設計采用8通道，12位MAXl97實現A／D轉換。MAXl97的zui小分辨精度可以達到5/4096=1．22mV，該器件一共有O~5V，0~10V，一5～+5V，一lO～+10V4種量程．且外圍電路簡單。
　　
　　5、測試結果
　　
　　采用Tektronix數字示波器TDSl002和Agilent信號源33120A進行測試。表1為等幅波形測量值，表2為調幅信號測量值，表3為調頻信號的測量值。由表1～表3可見，該系統具有識別調幅、調頻和等幅波信號的功能。表4給出該系統實現中各性能的實測結果。　　
　　6、結語
　　
　　該系統依據外差原理．采用單片機與FPGA相結合，實現頻率范圍為l～30MHz信號的頻譜分析。測試結果證明，系統穩定可靠，人機交互界面友好，操作簡易方便。