基于PIC32的高性能掃頻調諧頻譜分析儀設計方案

一、引言

頻譜分析儀是研究電信號頻譜結構的儀器，用于信號失真度、調制度、譜純度、頻率穩定度和交調失真等信號參數的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統的某些參數，是一種多用途的電子測量儀器。掃描調諧頻譜分析儀基本結構類似超外差式接收器,工作原理是輸入信號經衰減器直接外加到混頻器,可調變的本振信號經混頻器與輸入信號混頻降頻后的中頻信號(IF)再放大后經AD采樣顯示。

二、系統設計

系統框圖如圖1所示，該分析儀主要由DDS模塊、混頻電路、放大檢波電路、頻譜輸出顯示電路、鍵盤、主控部分等組成。通過PIC32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ADS830E采集，并送至PIC32處理，最后由液晶顯示頻譜圖和相關信息。

圖1-系統框圖

1、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。

2、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，外圍電路簡單，且調試方便。

3、濾波電路采用專用濾波器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。

4、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%，且外圍電路簡單，頻帶寬。

三、理論分析與計算

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1 kHz。所以選定窄帶濾波器的帶寬為500 Hz，中心頻率為100KHz，但考慮到MAX274設計濾波器的難度，將中心頻率調至70 kHz。

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。

根據不同波形的頻譜特征進行識別，在得到一個最大幅值和對應的頻率后，再在剩下的點中找出第2個最大值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 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驗計算公式：

Vrms=Vin2/Vrms

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，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。

四、程序流程圖

圖2-主程序流程圖

圖3-掃頻流程圖

圖4-增益控制流程