基于DSP的简易频谱仪设计方案

1基于DSP的简易频谱仪设计方案指导老师：姚振东班级：信处092姓名：苟海军2009021109朱鑫2009021114郑顺200902二零一二年四月二十八日2摘要本文设计了一种实时信号频谱分析系统，该系统以TMS320VC5402DSP作为系统数据处理核心，首先对信号作滤波处理，再通过AD9200高速模数转换芯片对数据信号进行采样，最后通过串口在PC机上完成对数据的显示。其中，DSP芯片完成数模转换和FFT变换。应用DSP芯片，可以完全胜任较高频率信号处理的工作，在本系统中的信号频率为2MHz。另外，本系统的设计能够实现对信号的实时频谱分析并显示。关键词:频谱分析DSPFFT3AbstractThispaperintroducesthedesignofarealtimesignalspectrumanalysissystem,thesystemusesTMS320VC5402DSPasthecoreofdataprocessingsystem,tocompletethesignalfilterprocessingatfristandsamplingthedatasignalbythehighspeedanalogtodigitalconversionchip-AD9200.Atlast,thesystemwilldisplaythedatabyUSARTonthecomputer.WhatneedpointsoutisthatDSPchipcompletestheconversionandFFTtransformmainly.ApplicationofDSPdevicecanbefullyqualifiedforthejobthatprocessingthehighfrequencysignal.Inaddition,thefrequencyofthesignalisabout2MHz.What'smore,thedesignofthissystemcancompletethereal-timesignalspectrumanalysisanddisplay.Keywords：SpectrumanalysisDSPFFT4目录摘要..............................................................................................................................................2第一章前言.....................................................................................................................................5第二章频谱仪原理.........................................................................................................................6第三章频谱仪硬件设计.................................................................................................................73.1相关开发工具..................................................................................................................73.2频谱仪硬件设计................................................................................................................73.2.1系统设计方案.......................................................................................................73.2.2电源.......................................................................................................................83.2.3滤波器.................................................................................................................103.2.4ADC信号采集......................................................................................................113.2.5异步串行口.........................................................................................................13第四章频谱仪软件设计与实现...................................................................................................144.1系统软件框架图..............................................................................................................144.2FFT实现..........................................................................................................................144.2.1FFT原理................................................................................................................144.4.2FFT软件实现框图................................................................................................164.3异步串行口......................................................................................................................17第五章频谱仪结果分析...............................................................................................................185.1结果分析...........................................................................................................................185.2总结...................................................................................................................................18参考文献.........................................................................................................................................19附录................................................................................................................................................20附1元器件清单明细............................................................................................................20附2源代码............................................................................................................................205第一章前言频谱分析实质是对信号功率谱的估计，功率谱技术渊源很长，广泛应用于雷达、声纳、通信、地质探测、天文生物医学工程等众多领域，是军用和民用电子测试不可或缺的设备，例如，对各类旋转、电机、机床等机器的主题或部件进行实际运行状态下的谱分析，可以提供设计数据和检验设计结果，或者寻找震源和诊断故障，保证设备的安全运行等。在DSP芯片出现之前频谱分析的实现是依靠模拟滤波的方法来完成的。数字信号处理技术的发展为频谱分析提供了新的解决方案。本文设计了一种基于DSP的频谱分析系统，该系统以TI公司的DSP芯片TMS320VC5402作为数据处理核心，组成了具有数据采集实时数据处理和频谱显示功能的硬件平台，在此基础上，应用FFT技术形成数字化的频谱分析系统。系统信号通过AD8032构成的带通滤波器，由AD9200作为高速模数转换器，由DSP芯片完成FFT变换，最后通过串口输出到PC机，并显示波形。本频谱分析系统的设计，能够完成对实时信号的处理，通过串口显示数据和波形，充分掌握DSP的FFT技术，熟悉DSP芯片的用法。6第二章频谱仪原理频谱分析仪大体可以分为扫描调谐式频谱仪及傅里叶分析仪2大类。扫描调谐式频谱仪如扫频朝外差接收机，能分别显示复杂信号中各个不同频率分量的幅度，但不能提供相关相位信息。这类一起主要用于连续信号和周期信号的频谱分析。傅里叶分析仪采用数字采样及数字变换技术得到被测信号的傅立叶谱。采用傅里叶分析仪能在被测信号存在的有限时间内，提取信号的全部频谱信息，并能显示频率、幅值及相位。频谱分析仪从原理来看主要有快速傅里叶变换（FFT）分析仪和扫频调谐式分析仪。本系统采用傅里叶变换的原理。快速傅里叶变换分析仪是一种软件设计算法。当知道被测信号f(t)的取样值fk,则可用DSP来按快速傅里叶变换的计算方法求出f(t)的频谱。目前可以讲DSP于数据采集、显示电路配合组成频谱仪，通过串口发送给PC机显示出来，其原理如图2-1。f图2-1FFT频谱分析仪原理滤波器取样电路ADC存储器DSP串口显示7第三章频谱仪硬件设计3.1相关开发工具本频谱分析仪是基于DSP的FFT技术的应用，需要研究人员熟悉多种应用软件，掌握各种信号处理芯片以及信号滤波等相关知识。在硬件上，需要明确运放、模数转换器、电源芯片、串行口芯片以及电平转换芯片的使用方法和设计电路，完成系统硬件的设计。在软件上，着重需要掌握CCS。CCS是DSP开发的平台，