简易频谱分析仪与集成运放参数测试仪

简易频谱分析仪与集成运放参数测试仪1目录简易频谱分析仪简易频谱分析仪【作者：尹三正翟勇蔡浩】……………………2简易频谱分析仪（国防科技大学）……………………………………18简易频谱分析仪（北京邮电大学）……………………………………31集成运放参数测试仪读题指导……………………………………………………43论文（吴浩李忠意范志强）……………………………………462简易频谱分析仪（一）作者：尹三正翟勇蔡浩赛前辅导及文稿整理辅导教师：尹仕摘要：本设计利用外差原理,以单片机为核心，辅助以FPGA等实现半数字化的频谱分析。系统由4个模块组成：混频模块,信号采集模块,频谱图显示模块,输入波形识别模块。混频模块将输入信号与本振信号进行混频得到中频信号；信号采集模块对中频信号进行检波和AD采样，将采样数据存入单片机；采样数据经单片机处理后送给FPGA，由FPGA利用示波器的XY通道完成频谱图显示；单片机通过对采集到的数据进行分析来判定波形，同时采用等精度测量法测量输入信号中心频率。通过采用一定算法对输入信号进行处理，消除低中频带来的镜像干扰。关键词:频谱，扫频，混频，中心频率Abstract：KeyWords：spectrum,frequencyscan,frequencymixture,thecenterfrequency一、方案设计和论证本题目要求采用外差原理实现频谱分析仪，“外差”是变频的意思，因此将输入信号加到混频器上与本振信号混频后，再经过窄带中频滤波器将落入中频带的信号提取出来。通过AD转换器对检波后的中频信号进行采样并存入单片机，单片机对数据进行处理后再通过FPGA将频谱图显示在示波器上。输入信号整形后可通过FPGA利用等精度法进行测频，由于调频，调相和等幅波的频谱图不一样，通过识别输入信号的频谱特征就可判断是何种波形。整个系统框图如图1.1所示。输入信号单片机液晶显示红外接收键盘整形电路混频模块信号采集模块示波器双路DAFPGA图1.1：系统框图1.混频模块：方案一：选用MC3362搭建混频电路。MC3362是MOTOROLA公司生产的单片窄带调频接收电路，电路如图1.2所示：3图1.2：MC3362典型电路载频信号从MC3363的2脚输入，进行第一级混频后将差频为10.7MHz的第一中频信号从23脚输出，经中频为10.7M的陶瓷滤波器选频后再由21脚送到内部的第二混频级，将差频为0.455MHz的第二中频信号从7脚输出，经455kHz陶瓷滤波器选频，再经9脚送入MC3363的限幅放大器进行高增益放大。方案二：用乘法器和带通窄带滤波器搭建混频器：选用AD835作为乘法器，将本振信号和输入信号相乘得到二者频率的和差信号，达到混频的效果，与较常用的乘法器MC1596相比，其两路输入信号幅值可达到1V，对噪声可形成较强的抑制能力，而MC1596两个输入端允许的最大信号幅值分别为15mV和100mV，信噪比较低。带通窄带滤波器选用陶瓷滤波器，它的等效品质因数LQ为几百，比LC滤波器要高，对通带外的信号能形成很强的衰减。论证：方案一只需一块集成芯片即可实现混频和中频输出，但与方案二相比其外围电路过于复杂，而且其混频输出信号没有AD835干净，对输出噪声的抑制能力也较差。因此选择方案二来完成混频输出。2.本机振荡器：输入信号频率范围为1MHz～32MHz，故要求本机振荡器的振荡频率要大于该值一个中频。方案一：采用LC正弦波振荡器与变容二极管产生本振频率，通过改变变容二极管两端电压，使振荡电路输出频率发生改变。方案二：采用FPGA实现。将正弦波信号的一个周期的离散样点的幅度数值量存于RAM中，以一定的地址间隔读出，经DA转换器转换输出，再经低通滤波滤除D/A带来的高次谐波，即可获得所需要的波形。方案三：采用专用DDS集成芯片来产生正弦波。4论证：方案一为传统的振荡器电路形式，组成电路繁琐而且不易实现频率线性步进，而且要实现29M的频率变化范围难以实现；方案二采用FPGA产生正弦波，通过改变地址步进间隔即可实现不同频率输出，但要以较小失真度产生30M正弦信号，比较困难。而采用专用DDS集成电路只需少量外围元件就能构成一个完整的信号源，而且控制方便，因此我们选择方案三。二、理论分析和参数计算1.混频模块(1)中频的选择：混频器的输出信号中除了需要的差额信号外，还存在一些谐波频率和组合频率，如果这些组合频率接近中频并落在中频放大器的通频带内，则会形成干扰。设本振信号频率为LOf，输入信号频率为sf，中频为if，组合频率为kf，当kLOsfpfqfif时会形成干扰。取iLOsfff，去除不可能存在的情况，得到:1sifpfqp用不同的p，q值带入上式算出相应的siff值，得表如下：表2.1：组合频率选取参考表编号12345678910p0112123123q1233444555siff12132/33/241/212编号11121314151617181920p4123412312q5666677788siff52/53/44/35/21/33/512/71/2结合扩展部分，本题要测量的波段范围为1～30MHz，我们选中频if＝458.5kHz，则在整个波段内，siff＝2.15～65，满足这一范围的组合频率干扰点很少（仅编号4，7，11，15四个点）。5(2)前置放大器：由于输出信号电压有效值为20mV5mV,为降低噪声在输入端加一个前置放大器，使频谱分析仪系统的噪声系数降低。同时为使系统输入阻抗与信号源输出阻抗匹配，我们在运放的同相输入端接一个50Ω电阻到地，由于运放同相输入端阻抗很大，这样输入信号阻抗几乎为50Ω，达到阻抗匹配。由于后级乘法器选用AD835，在满足一定精度下要求输入信号1V，因而增益128.5725*1.4vVAmV，取前置放大器增益vA24。由于输入信号最高频率达到30M，则相应运放的增益带宽积应满足：3025750ainGMHzMHz压摆率也应满足：om2V=377V/sSRfs同时输入失调电压应尽量的小。根据这些指标要求，选择MAX4117作为前置放大器。MAX4117为电流型反馈运算放大器，大信号时增益带宽积为280MHz，压摆率为1200V/s，输入失调电压为1mV，内含两个独立运放，采用两级级联，分配第一级分配增益为6，第二级增益为8，则相应增益带宽积要求为：308240ainGMHzMHz能达到要求，并能对35MHz以上信号形成衰减，由图2.1知，第二级输入信号为第一级输出信号的一半，故总增益为：vA6×8÷2＝24满足设计要求。电路图如图2.1所示。图2.1前端放大电路(2)乘法器：模拟乘法器将两端输入信号相乘，得到两个信号频率的和差频率，从而达到混频的效果。模拟乘法器选用AD835。AD835是一款高带宽（250MHz），四信号输入乘法器，其输出噪声只有50nVHz，在输入信号为30MHz时，其输出噪声为0.274mV。其输入输出之间关系如图2.2所示。实际电路如图2.3所示：在4脚与5脚和5脚与地之间接上电阻R5和R6，则混频后输出：6osii56RVVV=V+R+RU化简得到：6osiVVV=11U7图2.2示意图图2.3实际电路图(3)本机振荡器：输入信号sf的频率范围为1MHz～30MHz，中频if为458.5KHz，则本振频率LOisfff的频率范围为：1.4585MHz～31.4585MHz。由于振荡频率高达31.4585MHz，因此选用专用DDS芯片来产生本振频率。AD9851是一款方便易用的高速DDS芯片，其内部主要包括一个可选用的六倍频器，高速DDS模块和高速十位A/D转换模块，可以用较低的外部时钟和简单的外围元件实现较宽频带内的频率精度较高正弦波合成或者各种调制。这里用它合成正弦波，原理图如下：图2.4AD9851原理图AD9851最高工作时钟可以达到180MHz，这里外部接30MHz晶振，经过内部的六倍频电路倍频到180MHz作为系统工作时钟。合成正弦波频率waveoutf可以通过下式得到：32*/2waveoutfSYSCLKPHASEHz其中SYSCLK是系统工作时钟，这里SYSCLK=30M*6=180MHz。PHASE是通过串口数据线DATA_9851和控制总线CONTROL_BUS_9851(3bit)预置的32bit的频率控制字。通过上式可以简单的得到此时理论上可以得到的合成正弦波频率精度是：3232/2180/20.042waveoutfSYSCLKMHz合成正弦波的幅度由下式决定:11*39.3/*waveoutsetVIOUTRRR其中，IOUT为PIN21输出的电流大小，由上式可以看出，它由PIN12外接的电阻setR决定。R1为PIN21外接的电阻，将电流转换为电压输出。这里setR=3.9kΩ,R1=100Ω,则正弦波幅度约为1V。(4)中频窄带滤波器：混频器输出中包含有乘法器的两个输入端信号的和差分量，需要通过中频窄带滤波器选出需要的频谱分量，抑制掉其它不需要的信号。题目要求频率分辨率为10kHz，即中频滤波器的带宽要小于10KHz。滤波器选用陶瓷滤波器HLB465B，通过信号源给陶瓷滤波器输入端不同频率的信号，实测其中心频率为458.5KHz，3dB带宽为1.0KHz（458.2KHz～459.2KHz），20dB带宽为9KHz8（454.5KHz～463.5KHz），频谱响应特性如图2.5所示。陶瓷滤波器的带宽较窄，因而本振频率的步进值不能太大，否则可能会漏扫某些点，在程序设计中我们直接选取其3dB带宽作为步进频率，这样可以保证扫到每个点。图2.6陶瓷滤波器频谱响应曲线2.检波模块：前级电路中本振频率为LOf时，与输入信号sf混频后，将信号频率为if=485.5KHz左右的信号送入本级，其峰值大致反映了信号在频率LOsff处的幅值，通过检波电路将其峰值检测出来。检波器由二极管和RC电路组成，电路图如图2.6所示：当二极管D1正端电压高于负端电压一定值时，二极管导通，对电容C3充电；当正端电压降低时，二极管截止，此时电阻R3构成放电通道，电容放电。选取适当的C3，R3即可构成需要的检波电路。图2.6检波和采样电路本振信号频率步进时间间隔为2ms，AD转换器的位数为8位，由于信号幅值在不断变化，在一个频率步进时间间隔内，输入信号幅值从最大（数字电平值为255）衰减到最小（数字电平值小于1），滤波器应有充分的放电时间将电压衰减到足够小，故在2ms时间内信号衰减幅度应小于1/255,由90tRCtUeU可得：1(ln)211.08255RCmsms。输入信号频率为485KHz左右，要使检波器随包络波变化而不是随被检波信号波变化，则其RC电路的时间常数不能太小，应远大于信号周期14852TkHzs据此选择时间常数RC＝66s，取R3＝20kΩ，C3＝3300F，满足要求。由于二极管存在导通电压，当信号峰值小于二极管的导通电压时，二极管截止不导通，从而无法进行检测，为此在输入端加入一个直流偏置与输入信号进行叠加，调节滑动变阻器R1使得直流偏置电压恰好抵消二极管的正向导通电压，同时接入二极管D2到地，防止反向电压过大损坏二极管D1。检波出来的电压通过一级射级跟随后被TLC5510采样，将得到的AD采样数值存入单片机。3.数据处理和频谱图显示模块：(1)系统噪声处理频谱分析仪的电路中的引入的各种外界噪声和电路内部串扰噪声被逐级放大，最后以噪声形式显示在示波器上，使得频谱分析仪的灵敏度降低。因此如果将输入端不加信号，测量此时输出的噪声电平，则比这个电平低的信号都会被噪声掩盖而无法测量，我们将此时采集到的数字电平作为门限电平，低于这个电平的均被做零处理，这样可以尽量减少噪声对输出信号的影响。(2)信号识别：控制本振信号的频率对输入信号进行扫频时，设输入信号在sf处存在较大频谱分量，则在本振频率为LOsifff和LOsifff均能检测到响应，由于程序默认