基于DDS的頻譜分析儀設計

發(fā)布時(shí)間:2015-11-12 10:55    發(fā)布者:designapp
關(guān)鍵詞: DDS , FPGA , AD985l
  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(yōu)點(diǎn)。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(shí)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(guò)單片機和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)共同控制AD985l,以產(chǎn)生正弦掃頻輸出信號,然后經(jīng)濾波、程控放大得到穩定輸出,與經(jīng)放大處理的被測信號混頻,再經(jīng)放大、濾波、檢波后,由MAXl97采集,并送至單片機處理,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(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,故后級需加隔直電路。
  濾波電路采用專(zhuān)用濾波器MAX274,其優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現。外圍電路簡(jiǎn)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(lèi)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(shí)現。因此這里采用下混頻,只需設置一個(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,其測量信號有效值高達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(shí)就需較長(cháng)的掃頻時(shí)間,從而影響儀器的數據輸出率。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設計濾波器的難度,將中心頻率調至70 kHz。
  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(jiǎn)單,只有一條頻譜線(xiàn)。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(xiàn)間間隔為調制信號頻率fΩ,而各個(gè)譜線(xiàn)的高度則由貝塞爾函數得到!鱢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(xiàn)的間隔是不變的。
  由圖2可知,fΩ影響每根譜線(xiàn)之間的間隔,fΩ越小,頻譜線(xiàn)的間隔也越小,頻譜看起來(lái)越緊密;fΩ越大,頻譜線(xiàn)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。
  


  根據不同波形的頻譜特征進(jìn)行識別,在得到一個(gè)最大幅值和對應的頻率后,再在剩下的點(diǎn)中找出第2個(gè)最大值A2和對應頻率f2,然后判斷(f1+f2)/2對應點(diǎn)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(diǎn)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(即絕對值電路)、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(jīng)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(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,一3 dB帶寬為600 kHz:有效值為l V的信號,一3 dB帶寬為8 MHz。同時(shí),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、均方值和絕對值。
  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(shí),其產(chǎn)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(chǎn)生所需掃頻信號。為避免高頻干擾,采用PCB板實(shí)現。
  


  由于A(yíng)D985l產(chǎn)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~+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通過(guò)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~+l V較為合適,Vpp至少應大于50 mV。使用AD835混頻時(shí)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(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濾波器設計軟件,以完成軟件設計。圖5為帶通濾波器的設計。
  


  4.4 A/D轉換器
  經(jīng)AD637轉換后的信號需再經(jīng)MAXl97實(shí)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(shí)現A/D轉換。MAXl97的最小分辨精度可以達到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 測試結果
  采用Tektronix數字示波器TDSl002和Agilent信號源33120A進(jìn)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(jiàn),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(shí)現中各性能的實(shí)測結果。
  


  6 結語(yǔ)
  該系統依據外差原理.采用單片機與FPGA相結合,實(shí)現頻率范圍為l~30 MHz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(jiǎn)易方便。
                               
               
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