第第頁共62頁基于STM32模塊電路的80MHz-100MHz頻譜分析儀設(shè)計[摘要]為了測量在儀器整個頻率范圍內(nèi)輸入信號的幅度與頻率的關(guān)系。通過分析電信號的頻譜，可以觀察無法輕易通過時域波形檢測出來的信號失真、諧波、帶寬和其他頻譜成分。以STM32F429為核心控制芯片，配合鎖相環(huán)芯片RFFC2072實(shí)現(xiàn)了本振源電路，設(shè)計并制作了80MHz~100MHz頻譜分析儀。該系統(tǒng)由本振源電路、混頻電路、窄帶濾波電路、檢波電路、數(shù)字采集與顯示電路五部分組成。其中，本振源部分由RFFC2072結(jié)合環(huán)路濾波、功率分配隔離、程控放大以及鎖定觀測等外圍電路構(gòu)成。本振源輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為5~600mV，頻率范圍為80MHz~200MHz，且頻率可任意設(shè)置或以100KHz步進(jìn)自動掃描，鎖定時間為400us?？蓪?shí)現(xiàn)頻譜曲線繪制、自動掃頻與最大值保持功能，并在全頻段內(nèi)未出現(xiàn)可觀測到雜散。[關(guān)鍵詞]頻譜分析；鎖相環(huán)；STM32F429；目錄TOC\o"1-5"\h\u1緒論 11.1選題的目的及研究意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3發(fā)展趨勢 11.4研究方法及技術(shù)路線 21.5論文結(jié)構(gòu) 32主要原理與理論分析 42.1外差式頻譜原理 42.2鏡像頻率干擾原理 52.3鎖相環(huán)原理 53硬件分析與設(shè)計 73.1鎖相環(huán)部分設(shè)計 73.1.1鎖相環(huán)電路 73.1.2橢圓濾波器電路 83.2信號處理部分設(shè)計 93.2.1AGC電路 93.2.2T型衰減電路 103.3頻譜儀部分設(shè)計 113.3.1混頻器電路 113.3.2中頻濾波電路 133.3.3有效值檢測電路 133.4STM32模塊電路 143.4.1STM32F103VC模塊電源部分設(shè)計 143.4.2液晶和按鍵接口部分和設(shè)計 153.5硬件調(diào)試出現(xiàn)的問題及解決辦法 164軟件分析與設(shè)計 174.1主程序設(shè)計 174.2子程序設(shè)計 184.2.1信號源測試程序設(shè)計 184.2.2掃頻測試程序設(shè)計 184.2.3頻譜分析測試程序設(shè)計 194.2.3.1AD采樣程序設(shè)計 194.3軟件編譯與下載 214.4軟件調(diào)試出現(xiàn)的問題及解決辦法 225制作與測試 235.1制作 235.2測試 235.2.1信號源測試 235.2.2鎖定時間測試 265.2.3頻譜分析測試 265.3誤差分析 285.3.1本振輸出信號誤差分析 285.3.2頻譜分析誤差分析 286總結(jié)與展望 296.1總結(jié) 296.2展望 29參考文獻(xiàn) 31附錄元器件清單 621緒論1.1選題的目的及研究意義頻譜分析儀用來測量信號的頻率結(jié)構(gòu)和各個諧波的幅度、相位信息，能夠直觀地從頻域上分析信號的特性，從而更有效、方便地研究目標(biāo)信號的特征。相比于FFT分析儀，超外差頻譜分析儀具有的實(shí)時性會更差，但超外差頻譜分析儀可以在比較低的成本下實(shí)現(xiàn)很高的頻率范圍，具有更高的頻譜純度，也不需要復(fù)雜的數(shù)字處理工作。這些優(yōu)點(diǎn)使得相對FFT分析儀而言更為傳統(tǒng)的超外差頻譜分析儀依然占據(jù)著重要的位置，在無線電測量中應(yīng)用廣泛[1]。頻譜儀是一種研究電信號頻譜結(jié)構(gòu)的測量設(shè)備，其廣泛應(yīng)用在軍事、高校教學(xué)、工程生產(chǎn)、精密儀器檢修等領(lǐng)域，成為科學(xué)研究中獲取、處理信息的重要工具，是精密器件流水線生產(chǎn)與維護(hù)過程中不可或缺的輔助設(shè)備。目前大多數(shù)的頻譜儀對全頻帶內(nèi)信號處理，硬件要求較高、技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，導(dǎo)致成本較高；此外，頻譜儀工作時只處理特定頻段信號，會浪費(fèi)未使用的空閑硬件資源。在實(shí)際工程應(yīng)用中，尤其是在某些軍工產(chǎn)品生產(chǎn)中，精密器件最容易出問題的只是某一小零件，其工作時產(chǎn)生的波形頻率僅分布在特定的頻段內(nèi)，并不都需要全頻帶的處理。因此，針對特定頻段，提出有針對性的定制頻譜儀研制技術(shù)不但可以節(jié)省成本、簡化制作流程，而且可以提高工作效率和生產(chǎn)效率，對實(shí)際工作具有重要的意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀世界上第一臺標(biāo)準(zhǔn)意義上的頻譜儀是HP公司在1964年生產(chǎn)出半自動的頻譜分析儀，從此工程師觀察信號的方式從時域轉(zhuǎn)到頻域。到了20世紀(jì)70年代，本振合成技術(shù)被應(yīng)用到頻譜分析儀領(lǐng)域，使用微處理器使得頻譜儀的性能都達(dá)到了比較理想的水平，其頻段也擴(kuò)展到18GHz，代表公司及產(chǎn)品有：HP公司的HP8553B，Tek公司生產(chǎn)的7L14，日本TR公司生產(chǎn)的TR4110系列等。80年代后，計算機(jī)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用推動了頻譜分析儀走向智能化和自動化的道路，代表產(chǎn)品有：Tek496P、HP8568A等。從20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，便攜式和手持式頻譜儀相繼問世，使頻譜分析儀朝著數(shù)字化、高性能、便攜式、寬頻帶處理的主流方向發(fā)展，代表產(chǎn)品有HP8562A/B系列的頻譜分析儀。近些年硬件的微型化和集成度的大幅提高使得頻譜分析儀的處理速度和整體性能有了質(zhì)的提高，典型的應(yīng)用是在前端硬件單元使用FPGA和DSP等集成度較高的芯板，減小了整體的體積，計算速度也有了質(zhì)的飛躍，代表公司有：美國安捷倫公司、是德科技公司，其產(chǎn)品對數(shù)字中頻單元進(jìn)行了全新的改進(jìn)，生產(chǎn)的PSA、FSP系列具有準(zhǔn)確率高、速度快、分辨率步進(jìn)豐富等優(yōu)點(diǎn)，軍事雷達(dá)、射頻應(yīng)用及微波段的復(fù)雜信號監(jiān)測和分析已經(jīng)普及使用此系列產(chǎn)品[2]。1.3發(fā)展趨勢：近年來，頻譜分析儀有了飛速發(fā)展，從以前的單一功能模塊逐漸向著多風(fēng)格、多種類、多智能的方向進(jìn)步。國內(nèi)外都在繼續(xù)推進(jìn)頻譜儀的設(shè)計開發(fā)，主要有以下特點(diǎn)：隨著科技的進(jìn)步，所研制儀器的性能越來越好，并且功能技術(shù)也在不斷地更新?lián)Q代。許多研發(fā)人員在內(nèi)部硬件電路設(shè)計中使用新穎的技術(shù)、先進(jìn)的工藝，同時選用最好的材料，不斷優(yōu)化設(shè)計提升設(shè)計可靠性。頻譜分析儀將多功能、多模塊作為設(shè)計核心。模塊化設(shè)計的頻譜儀有許多優(yōu)點(diǎn)，可按照用戶自身的功能需求，添加或者更換對應(yīng)模塊，就可以輕易完成儀器功能的改變、升級以及添加，如此設(shè)計方便最大程度地適應(yīng)各類使用要求，也使得研發(fā)人員在進(jìn)行模塊化的設(shè)計時更具針對性。頻譜儀的設(shè)計將自動化、智能化作為設(shè)計前景。許多頻譜儀的控制部分結(jié)合了UP智能控制技術(shù)，比如惠普公司研發(fā)設(shè)計的HP8561系列。該類儀器的設(shè)計趨向是更加小型與智能。其儀器的菜單選項計數(shù)過百，并且進(jìn)行綜合分析時更是將儀器的精確高速發(fā)揮的淋漓盡致。如果將他們與調(diào)整組件配對起來，能夠很好的實(shí)現(xiàn)自測、調(diào)整與診斷等智能化功能。所以自動與智能成為了頻譜儀的最新的研發(fā)趨勢。1.4研究方法及技術(shù)路線1.4.1研究方法目前，從工作原理的角度，頻譜分析儀可以分為掃頻式頻譜儀和實(shí)時頻譜儀兩種。而掃頻式頻譜儀因其發(fā)展早、技術(shù)成熟、掃頻范圍寬等特性，其仍占據(jù)頻譜儀領(lǐng)域的大部分市場。價格相比實(shí)時頻譜分析儀便宜，且功能穩(wěn)定、不易出現(xiàn)問題，在高校教學(xué)、企業(yè)測試、軍事站監(jiān)測等機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用。實(shí)時頻譜儀是大數(shù)據(jù)處理、實(shí)時監(jiān)測領(lǐng)域的常用設(shè)備，由于對頻譜采集與計算并行處理，在處理持續(xù)時間較短的脈沖信號時具有更好的實(shí)時性，其工作原理是基于FFT的頻譜計算，因FFT計算速度快、數(shù)據(jù)計算穩(wěn)定，故叫“實(shí)時”。此外，在軍事應(yīng)用領(lǐng)域的電子對抗戰(zhàn)中，常用實(shí)時頻譜分析儀來捕捉變化較快的瞬時信號，通過實(shí)時計算并顯示信號頻譜，為軍事決策提供強(qiáng)有力的依據(jù)。1.4.2技術(shù)路線超外差頻譜分析儀總體結(jié)構(gòu)：整個系統(tǒng)主要包括鎖相環(huán)(PLL)和自動增益控制(AGC)構(gòu)成的本振源、混頻器、高速放大器、中頻帶通濾波器、檢波器、MSP430單片機(jī)系統(tǒng)和TFT－LCD顯示模塊。系統(tǒng)工作時，由MSP430單片機(jī)系統(tǒng)控制本振源PLL的輸出，實(shí)現(xiàn)自動連續(xù)掃頻、掃描時間設(shè)置和某一頻點(diǎn)預(yù)置等功能，被測信號與本振源混頻再經(jīng)過帶通濾波器后得到變頻的單頻點(diǎn)信號，檢波器將其變成直流信號。由MSP430采集和處理，得到頻譜結(jié)果并分析頻譜內(nèi)幅度最大的頻點(diǎn)頻率和雜散數(shù)量，最后將所有結(jié)果輸出至TFT－LCD屏幕[3]。圖1.180-100MHz頻譜分析儀原理框圖本振源設(shè)計：本振源由PLL、低通濾波器和AGC構(gòu)成。PLL產(chǎn)生本振頻率，設(shè)計采用鎖相環(huán)集成電路ADF4360－9構(gòu)造。檢波器設(shè)計：本設(shè)計采用了一種類似乘積型同步檢波的方案，將帶通濾波器輸出的中頻信號Asin(ωt)進(jìn)行平方運(yùn)算，得到A2/2［1－cos(2ωt)］，式中可以看到進(jìn)行平方運(yùn)算后的信號包含一個直流量和一個二倍頻量，通過低通濾波器可以濾除交流量得到其中的直流部分，直流量的大小為A2/2。系統(tǒng)非線性分析與處理：對于系統(tǒng)的帶通濾波器，太寬的通帶頻率會導(dǎo)致鄰頻干擾，太窄則不允許PLL本振源的頻偏。不合理的帶通濾波器設(shè)計會給系統(tǒng)最后的測量結(jié)果帶來非線性誤差。解決這個問題，第一種辦法就是優(yōu)化PLL本振源，減小其頻偏來滿足帶通濾波器的帶寬，但從成本角度來考慮，這種方法的性價比過低。第2種方法就是加大帶通濾波器的通帶，同時又要保持Q值和低通帶紋波，這就對帶通濾波器有較高的要求。在設(shè)計帶通濾波器時采折衷的做法，首先帶通濾波器的帶寬必須滿足小于頻道間隔的要求，而且需要有高Q值，但同時其通帶的平坦范圍也必須能包含PLL輸出頻偏的最大范圍。1.5論文結(jié)構(gòu)第1部分：緒論；第2部分：外差式頻譜原理；第3部分：硬件分析與設(shè)計；第4部分：軟件分析與設(shè)計；第5部分：制作與調(diào)試；第6部分：總結(jié)與展望。

2主要原理與理論分析2.1外差式頻譜原理目前，頻譜分析儀分成掃頻外差式和實(shí)時分析式這兩種，其中如圖2.1所示為外差式頻譜儀的結(jié)構(gòu)框圖。其中“外差”指的是混頻，即對頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換。從圖中可以看出，輸入信號和掃頻后本振信號進(jìn)行混頻后，由于混頻器的非線性特性，其輸出除了包含兩個原始信號之外，還包含它們的諧波成分以及原始信號的與諧波的和信號與差信號。若其中任何一個信號落到中頻濾波器的通帶內(nèi)，它將會被保留下來，被進(jìn)一步進(jìn)行檢波，放大以及顯示處理。掃描發(fā)生器在屏幕上產(chǎn)牛從左到右的水平移動，同時它會對本振進(jìn)行調(diào)諧，使本振頻率的變化與斜波電壓成正比。這樣經(jīng)過一輪的掃頻后就可在屏幕中看到頻譜圖[4]。圖2.1外差式頻譜儀結(jié)構(gòu)框圖現(xiàn)在我們通過一個AM調(diào)制信號來說明外差式頻譜儀是怎樣將頻譜顯示出來的。如圖2.2所示為AM調(diào)制波在時域上的波形圖，假設(shè)載波信號為頻率兒的正弦波，調(diào)制信號為頻率F的正弦波。圖2.2AM調(diào)制波時域圖

根據(jù)AM調(diào)制波的理論分析知道其中包括三種頻率成分，如圖2.3所示為AM調(diào)制波的頻譜圖，其中包含載波信號兒、載波信號與調(diào)制信號的和頻分量/+尸及載波信號與調(diào)制信號的差頻分量f0~F,和頻和差頻分量是以中心頻率/對稱分布，幅度相等并且與中心頻率信號幅度成一定比例。圖2.3AM調(diào)制波頻域圖現(xiàn)在以圖中2.3中兒-P頻率來說明情況，將此頻率成分和一系列的等差頻率的掃頻信號輸入到如圖2.1的外差式頻譜儀中，其中一系列的掃頻信號可表示為fLox=fLo+nx厶時，其中人。為掃頻信號的起始頻率,n（取整數(shù)）為第n個的掃頻點(diǎn)，扁礦為取樣測試的步進(jìn)頻率，根據(jù)混頻器的頻譜線性搬移功能，其輸出信號中包括頻率成分。這些頻率分量中只有落在帶通濾波器通帶內(nèi)的信號將被保留下來，其余的頻率的會被濾除掉，信號再經(jīng)過檢波處理就可得到相應(yīng)譜線信息，之后再屏幕上顯示，這樣就得到第一根頻譜線；以上述的同樣方法，掃頻輸出一輪后，同樣可得到AM調(diào)制波的第二根,第三根頻譜線。由疊加原理將三條譜線在同一個頻率軸上表示出來就是圖2.3中的AM調(diào)制信號頻譜信息。2.2鏡像頻率干擾原理鏡像頻率干擾是外差接收機(jī)特有的現(xiàn)象工。設(shè)主信號頻率為；，振蕩信號頻率為兀，以；為中心，在￡的兩端出現(xiàn)兩個相互鏡像的頻率fx=fc+fs,當(dāng)人出現(xiàn)在主信號譜附近，或直接進(jìn)入主信號帶內(nèi)，與主信號產(chǎn)生鏡頻交疊，稱之為鏡頻干擾。以圖中2.3中/頻率為例，且扁=f0~fLO表示帶通濾波器的中心頻率,其中為某一時刻掃頻頻率。即當(dāng)輸入信號頻率為九和一系列的等差頻率的掃頻信號輸入到的混頻中，除了在fLO=fQ~fIF頻段有頻譜線顯示出來外，在尤+萬卩頻段也會出現(xiàn)一根頻譜線，這就是所謂的鏡像頻率。2.3鎖相環(huán)原理鎖相環(huán)電路使一個特殊系統(tǒng)的跟蹤另外一個系統(tǒng)，更清楚的講，鎖相環(huán)是用于生成與輸入信號相位同步的新的信號電路。如圖2.4所示為鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖，其主要由檢測兩個輸入信號的相位差的鑒相器，將PD輸出含有紋波的信號變換成直流信號的環(huán)路濾波器和可將直流信號控制輸出振蕩頻率大小的壓控振蕩器組成[5]。其對應(yīng)的輸出頻率表示為： （2.1）圖2.4鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖鎖相環(huán)的工作過程：基準(zhǔn)時鐘經(jīng)過R分頻后的信號跟經(jīng)過N分頻后VCO輸出信號在PD中進(jìn)行相位比較，得到與相位差有關(guān)一個電壓值，在環(huán)路濾波器中濾除其中噪聲和高頻分量后，與VCO壓控元件進(jìn)行調(diào)諧，從而調(diào)整VCO輸出頻率。這個過程處于動態(tài)調(diào)整過程，使得兩個相位差逐漸減小，但不會為零，當(dāng)VCO輸出頻率趨于穩(wěn)定時，完成鎖定過程。

3硬件分析與設(shè)計3.1鎖相環(huán)部分設(shè)計3.1.1鎖相環(huán)電路利用分立的元件：ADI公司的鑒相器芯片ADF400L環(huán)路濾波器設(shè)計和丿R控振蕩器芯片MCI648進(jìn)行電路設(shè)計,同時使川ADI公詞的鎖相環(huán)仿真工具ADIsimPLL,可以降低開發(fā)周期,方便設(shè)計調(diào)試。如圖3.1所式為鎖相環(huán)電路。這里選用是ADI公司的ADF4001芯片，其具有低噪聲，200MHz帶寬特性，同時內(nèi)置有精密電荷泵、可編程14位R分頻器和可編程13位N分頻器，為時鐘設(shè)置產(chǎn)生提供靈活性。ADI公司提供了專門的鎖相環(huán)仿真工具ADIsimPLL,可以減少電路的開發(fā)周期。這里通過ADIsimPLL仿真軟件，輸入配置為整數(shù)N分頻，輸出頻率范圍80MHz-110MHz,分辨率為lOOKHz,鎖定方式為模擬式七供電電源5V,環(huán)路濾波器拓?fù)?Kv為20Mllz/V,基準(zhǔn)時鐘選JIJ30MHz,環(huán)路帶寬lOKHz,相位為15dog,得到本系統(tǒng)的關(guān)于環(huán)路濾波器和鎖定檢測模式的設(shè)計[6,7]，如圖3.2所示。VCO部分使用的是MCI648芯片,使用四變?nèi)?極管D1-D4,和高頻電感L1作為壓控元件,可提高輸出信號頻穩(wěn)度和壓控線性度⑷，其AGC引腳上使用一個電位器町以調(diào)節(jié)輸III信U的幅度。數(shù)字地和模擬地分開處理，磁珠隔髙電源部分，減少系統(tǒng)之間相互影響和降低噪聲,同時芯片引腳旁邊各配10pF和lOOnF電容,以增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。圖3.1鎖相環(huán)電路圖

圖3.2ADIsimPLL仿真電路圖3.1.2橢圓濾波器電路本系統(tǒng)包含有三部分的濾波模塊，分別是鎖相環(huán)部分的環(huán)路濾波器，鎖相環(huán)輸出信號后的低通濾波器和混頻器后的窄帶帶通濾波器(中頻濾波器)。其中環(huán)路濾波器部分使用ADI公司鎖相環(huán)仿真工具ADIsimPLL設(shè)計實(shí)現(xiàn),無源RC濾波器。使用簡單的電阻電容實(shí)現(xiàn)濾波功能，具有成本低廉,體積小，電路運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。鎖相環(huán)的本振信號質(zhì)量決定掃頻出來的頻譜質(zhì)量,所以在鎖相環(huán)后使用一個濾波模塊,防止帶外信號與高頻信號混入,在中頻上產(chǎn)生多余的頻率響應(yīng),影響頻譜儀的測試結(jié)果。這里使用l''ilterSolutions軟件仿真工具設(shè)計,輸入配置為7階橢圓濾波器,通帶頻率為130MHz,輸入輸出阻設(shè)置為50歐姆,從而得到元件參數(shù)，同時配合實(shí)物進(jìn)行調(diào)試修改，得到如圖3.3所示參數(shù)電路圖。從仿真的頻率響應(yīng)圖3.3可知在144MHz左右衰減達(dá)到20dB以上。圖3.37階橢圓濾波器參數(shù)電路圖

圖3.47階橢圓濾波器頻率響應(yīng)圖3.2信號處理部分設(shè)計3.2.1AGC電路以AD603為核心AGC模塊。AD603是美國AD公司繼AD600后推出的寬頻帶、低噪聲、低畸變、高增益精度的壓控VGA芯片，而且可通過級聯(lián)方式增加帶和增益。由AD603為核心設(shè)計AGC模塊，電路相對復(fù)雜，偏移量較大，但是價格低廉。壓控振蕩器利用是LC壓控兀件進(jìn)行調(diào)諧輸出，其輸出的信號幅度在全頻段呈現(xiàn)曲線跟諧振電路通帶曲線一致，為了在混頻器在全頻段能識別本振信號，且滿足輸出信號在lOmV-lOOmV可調(diào)，所以增加AGC電路設(shè)計。如圖3.5所示為AGC電路部分。本系統(tǒng)使用兩級級聯(lián)形式的AD603放大，同時在兩個輸入端設(shè)置的T型衰減器（R23,R24,R25和R26,R27,R28分別衰減10dB和20dB）使其增益變化范圍達(dá)到為-40dB至40dB,使用0PA695芯片設(shè)置增益為3.43倍（1+R）以驅(qū)動后級電路。電路中設(shè)置R32/R33,起到一個分壓保護(hù)的作用，防止0PA695輸出信號超過AD83O7輸入的最大電壓1.4V；0PA690作為一個跟隨器，隔離前后級；AD8307是一個對數(shù)放大器，在該電路中起到了一個檢波的作用。對于AD83O7而言，當(dāng)它的輸入范圍在-74dBm至14dBm時，它的輸入和輸出呈現(xiàn)一種線性關(guān)系。輸入每增大1dBm時，它的輸出就會增大25mVo由于AD603的增益控制電壓的范圍是-500mv到500mv,對應(yīng)的增益為-40dB至40dBo為了實(shí)現(xiàn)自動增益控制，電路中加入一個NE5532作為反相器，當(dāng)模擬信號輸入增大時，AD8307的輸入增大，其輸出也就增大，經(jīng)過反相器后放大倍數(shù)減小,導(dǎo)致模擬輸出信號減小；反之AD8307的輸入減小，其輸出也就減小，經(jīng)過反相器后放大倍數(shù)增大，導(dǎo)致模擬輸出信號增大，使輸出的電平保持穩(wěn)定，達(dá)到了自動調(diào)整的效果。其中通過調(diào)節(jié)RW2可以調(diào)整AGC輸出電平。C29和C30都起到了濾波的作用。而R45和R46起到一個分壓的作用，防止電壓超過AD603的增益控制電壓[8]。圖3.5AGC電路3.2.2T型衰減電路為了輸出信號在1OmV-l00mV不失其，在本振信號后引入T型衰減摧，如圖3.6電路圖所小。輸入和輸出阻抗設(shè)置為50歐姆(R1N=Roi-t=50Q),設(shè)衰減器的衰減倍數(shù)為A,由基爾霍夫定律和數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以得到三個電阻表達(dá)式:（3.1）（3.2）（3.3）其中R1為靠近輸入端的電阻，R2為靠近輸出端的電阻，R3為接地端的電阻，只要通過設(shè)置想要衰減的倍數(shù)，即可得到三個電阻阻值。這里設(shè)置的衰減倍數(shù)為12dBo

圖3.6T型衰減器3.3頻譜儀部分設(shè)計3.3.1混頻器電路利用集成的混頻器芯片實(shí)現(xiàn)。如ADI公司的AD831混頻器芯片,該芯片是一款髙性能，低失真的混頻器，具有500MHz射頻信號和本振信號的輸入帶寬，250MHz中頻輸出帶寬，同時集成有放大器和濾波器，最重要的是芯片的輸出頻率精確穩(wěn)定，外圍電路簡單，容易操作。如圖3.7所示為混頻器電路圖。被測信號和鎖相環(huán)產(chǎn)生的本振信號都會進(jìn)入本模塊進(jìn)行混頻，得到一系列頻率成分供后級濾波電路使用。圖中被測信號和本振信號輸入端使用50歐姆到地電阻進(jìn)行阻抗匹配。如圖3.8所示電路設(shè)計可知該芯片內(nèi)部集成一個簡單的低通濾波部分，且內(nèi)部阻抗為14歐姆,本系統(tǒng)使用的是中頻為10.7MHz.,所以-3dB頻率U丄應(yīng)該選擇21.7MHz,即（3.4）且該芯片可以設(shè)置輸出增益以彌補(bǔ)后級帶通濾波器的損耗，這里設(shè)置的增益為

圖3.7混頻電路圖3.8AD831芯片關(guān)于內(nèi)部濾波器設(shè)計

3.3.2中頻濾波電路中頻濾波器帶寬大小決定頻譜分析儀的分辨率大小，即區(qū)分最領(lǐng)近的倆條譜線之間頻率間隔的能力。為了在測試頻譜特性過程防止發(fā)生鏡像干擾，中頻頻率選擇滿足以下關(guān)系：（3.5）其中80，100表示頻譜儀測試上限頻率100MHz，和下限頻率80MHZ，?IF中頻頻率器中心頻率。從而可知f>10MHZ即可。所以這里選用具有頻率選擇性高和溫度穩(wěn)定性良好，且中心頻率為10.7MHZ，通常帶寬度為±7.5KHZ的晶體濾波器。電路圖如圖3.9所示。圖3.9中頻濾波器電路3.3.3有效值檢測電路有源濾波器設(shè)計。環(huán)路濾波器中使用芯片進(jìn)行濾波，不僅提供給后級所需的增益，而且提供良好的隔離作用，可以濾除信號中諧波成分，但是這樣增加元件數(shù)量，提升設(shè)計成本，增加板間體積從中頻濾波器濾出的信號記錄著被測信號的頻譜信息，經(jīng)過有效值檢測，ADC采樣后其數(shù)值可在液晶屏上顯示。本模塊使用AD8361芯片，采用的地模式的接法(輸出沒有偏置電壓)，輸入部分接入75歐姆和耦合電容使輸入阻抗接近50歐姆，同時該電阻與電容部分構(gòu)成高通濾波器，截止頻率為:(3.6)在芯片6腳(FLTR)加一個外部濾波器電容，濾除輸出端口電壓的紋波，這里選取lOOnF,電路如圖3.1所示。圖3.10有效值檢測電路3.4STM32模塊電路3.4.1STM32F103VC模塊電源部分設(shè)計本頻譜儀系統(tǒng)基于外差式原理設(shè)計而成,以STM32I-11O3VC為主控芯片，控制鎖相環(huán)模塊部分實(shí)現(xiàn)信'；輸出，之后經(jīng)過7階橢圓濾波模塊，AGC；，一路信'/與被測信號通過混頻器模塊，中頻濾波器模塊和有效值檢測模塊，輸入到STM32的ADC中完成被測信號頻譜測量；另一路經(jīng)過一個T型衰減電路,實(shí)現(xiàn)lOmV-IOOmV信號輸出.STM32供電電源部分電路如圖3.11所示。本系統(tǒng)全部開關(guān)都需輸入+5V電源,同時串接一個共模電感,避免幵關(guān)電源和芯片的供電電源相互串?dāng)_,同時能濾除部分高頻干擾，小接一個電阻和LE)燈，以便指示電源部分工作狀態(tài)。之后使川AS1117轉(zhuǎn)換芯片將電源電壓轉(zhuǎn)成3.3V,供給STM32系統(tǒng)和其他芯片[9~11]。在電源電路中采用大容量的電容不僅濾除低頻部分干擾，還能儲存電量，保證供電電源的穩(wěn)定，同時再并聯(lián)一個0.1PF電容，以濾除高頻雜波，增加系統(tǒng)可靠性。

圖3.11STM32控制模塊電源電路3.4.2液晶和按鍵接口部分和設(shè)計2.8寸TFT液晶模塊驅(qū)動使用的是SPFD5408A芯片,用4乘4位的并行方式與外部連接，其接口還與STM32的FSMC接口相連接，方便存儲，能滿足本系統(tǒng)顯示的需求。按鍵部分使用矩陣鍵盤，以節(jié)省I/O口資源。TFT鍵盤接口如圖3.12所示圖3.12TFT鍵盤接口原理圖

3.5硬件調(diào)試出現(xiàn)的問題及解決辦法問題：鎖相環(huán)輸出信號頻率，幅度出現(xiàn)波動，間時間軸拉大波形像調(diào)制波形式。原因：環(huán)路濾波器部分輸出的信號處理直流信號外，包含有高頻交流成分，導(dǎo)致信號跟壓控振蕩器的壓控元件調(diào)諧后頻率和幅度時刻發(fā)生改變。解決：在環(huán)路濾波器和壓控振蕩器部分串接一個較小阻止的電阻，這里使用的是50歐姆（具體原理不明）。問題:鎖相環(huán)部分沒有出現(xiàn)波形，斷開鎖相環(huán)三部分連接，鑒相器和環(huán)路濾波部分輸出正常。原因：這系統(tǒng)的鎖相環(huán)中壓控振蕩器電路有個増益控制引腳，壓控振蕩器輸出信號在全頻段內(nèi)幅度曲線跟諧振頻率響應(yīng)曲線一致，所以町能在某個頻點(diǎn)的輸出信號幅度很小。解決：使用電位器調(diào)節(jié)輸出増益，或使用固定電阻來實(shí)現(xiàn)頻段范圍內(nèi)輸出。問題：頻譜分析顯示在液晶上的譜線除了主頻譜線外還有其他頻率譜線。原因：共地方式不正確,連接線等問題,造成測試誤差。解決：更換短和新的杜邦線，采取艮好供地方式，最后有效值檢測輸出引腳附近找個地線連接至STM32系統(tǒng)板上的AD采集引腳附近的地線上。

4軟件分析與設(shè)計4.1主程序設(shè)計本系統(tǒng)以STM32F103VC為MCU的核心芯片，通過芯片I/O口對鎖相環(huán)部分進(jìn)行控制完成本振源信號輸出，利用按鍵，定時器功能完成頻率預(yù)置，掃頻信號輸出以及掃頻時間設(shè)定等內(nèi)容，利用ADC功能完成頻譜信息電平的釆集，并在液晶屏幕上完成頻譜以及相關(guān)信息的顯示[12]。程序開始完成對系統(tǒng)初始化任務(wù)，包含時鐘初始化、ADF4001鎖相環(huán)初始化按鍵初始化、定時器初始化、ADC通道初始化、TFT彩屏初始化，界面初始化以及相關(guān)I/0初始化。系統(tǒng)啟動完成初始化任務(wù)后，進(jìn)行按鍵掃描程庁，通過輸入不同鍵值,轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的功能部分實(shí)行,本程序包括有三部分功能:信號源測試（本振信號；頻點(diǎn)測試），掃頻測試和頻譜分析測試，其框圖如圖4.1所示。圖4.1主程序框圖4.2子程序設(shè)計4.2.1信號源測試程序設(shè)計STM32通過I/O對ADF4001芯片的CE（芯片使能），LE（數(shù)據(jù)載入使能），CLK（串行時鐘輸入）和DATA（串行數(shù)據(jù)輸入）進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)寫入，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。這里以第一功能實(shí)現(xiàn)為例，說明本軟件簡要操作過程，之后不再贅述。系統(tǒng)啟動并完成初始化后，液晶屏上有三個功能選項。分別是“信號源測試”,“掃頻測試”和“頻譜分析測試”。通過數(shù)字鍵選擇對應(yīng)的功能。通過輸入鍵“1”可選擇第一個“信號源測試”。選擇之后進(jìn)入第二個界面，界面有兩個內(nèi)容，第一個為要設(shè)置輸出信號頻率，第二個則是系統(tǒng)輸出相應(yīng)頻率信號。同理使用鍵“1”,選擇第一個設(shè)置頻率功能，這時右邊出現(xiàn)箭頭，表示選取第一個設(shè)置頻頻率的功能，之后就可以通過數(shù)字鍵“0、9”，輸入想要設(shè)置的點(diǎn)頻頻率，軟件默認(rèn)設(shè)置頻率的分辨率為0.1MHz,如這里設(shè)置90.OMHz,通過按鍵輸入“9”，“0”，“0”設(shè)置完頻率后輸入鍵“°k”，這時右邊箭頭消失，即設(shè)置頻率結(jié)束。再通過數(shù)字鍵“2”，即選擇第二個“信號輸出”功能完成信號源測試。其流程圖如圖4.2所示。圖4.2信號源測試部分程序流程圖4.2.2掃頻測試程序設(shè)計本部分主要迪過按鍵設(shè)置掃頻上限頻率，下限頻率和掃頻時間的數(shù)值實(shí)現(xiàn)。其中扌1頻時間使用到STM32定時器功能,只要在特定的時間內(nèi)將每個頻點(diǎn)的信息傳給ADF4001的、分頻寄存器內(nèi)，使其輸出對應(yīng)的頻率信號，即完成掃頻功能[13]。其流程圖如圖4.3所示。定時時間換算過程如下：由于系統(tǒng)使用72MHz時鐘，同時設(shè)定定時器時鐘分頻為7200分頻，即定時器時鐘為lOKHz,設(shè)自動裝載寄存器的數(shù)值（定時器計數(shù)大?。閄,掃頻頻點(diǎn)總個數(shù)為N,掃頻總的定時時間為T,根據(jù)定時器定時時間計算公式：（4.1）其中PSC[15:0]為自動裝載寄存器數(shù)值，ARR[15:0]為定時器時鐘分頻數(shù)值。得到每個頻點(diǎn)對應(yīng)的定時器計數(shù)大小X的換算關(guān)系。圖4.3掃頻測試部分程序框圖4.2.3頻譜分析測試程序設(shè)計4.2.3.1AD采樣程序設(shè)計本程序主要完成內(nèi)容：對輸入到ADC中的電平進(jìn)行采集，程序流程圖如圖4.4所示。首先程庁啟動ADC,等待AD轉(zhuǎn)換完成，傳換完成后清除標(biāo)志位后采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)共釆集16次，之后這16個數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的冒泡排序，用于去除…些偶然的誤差值，程序控制去除最大的三個值和最小的三個值，最后剩余數(shù)據(jù)求平均值，得到的平均值在轉(zhuǎn)換成模擬量返回以供使用[14,15]。

圖4.4AD采樣程序流程圖4.3軟件編譯與下載本次硬件程序使用C語言在Keil4中編程。程序中包含主函數(shù)、子函數(shù)LCD12864液晶顯示，及串口通信驅(qū)動程序。程序調(diào)試結(jié)果如圖4.5所示。圖4.5程序調(diào)試結(jié)果程序燒錄成功界面圖如圖4.6所示。把編譯完的程序通過單片機(jī)下載器下載到單片機(jī)。下載時首先選擇單片機(jī)型號為STM32F429，在點(diǎn)擊打開文件選擇編譯好的程序，最后單擊下載，對單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行上電。當(dāng)對話框顯示下載完成則燒錄成功。圖4.6程序燒錄界面圖

4.4軟件調(diào)試出現(xiàn)的問題及解決辦法程序中雖然限制頻譜曲線的顯示范圍，但是在所畫框格外出現(xiàn)譜線。原因：程序中譜線顯示方式通過上一次采集數(shù)據(jù)和本次采集數(shù)據(jù)連接完成，而限制頻譜曲線方法是在測試數(shù)據(jù)范圍內(nèi)才能顯示，這樣導(dǎo)致如果上一個數(shù)據(jù)不再測試數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，但是連線時還是用到這個數(shù)據(jù)，這樣出現(xiàn)譜線超過框格外。解決：設(shè)置一個變量存儲測量數(shù)據(jù)，如果本次測試數(shù)據(jù)不再測試數(shù)據(jù)范圍內(nèi)不會覆蓋上次測試數(shù)據(jù)，反之則保留。5制作與測試5.1制作實(shí)物作品如圖5.1所示，它由用來給頻譜儀調(diào)理模塊供電的±12V線性直流穩(wěn)壓電源模塊、頻譜儀調(diào)理模塊、STM32F429最小系統(tǒng)板三個部分進(jìn)行的硬件制作，所需全部零件可見附錄D，過程中注意到杜邦線的連接不是特別牢固，所以使用了熱熔膠使其加固；在正式測試時需注意頻譜調(diào)理模塊的本振信號輸出測試接口需連接信號示波器；待測信號輸入接口需連接信號發(fā)生器圖5.1實(shí)物作品圖5.2測試5.2.1信號源測試信號源測試波形如圖5.2，圖5.3，圖5.4所示，信號頻率范圍在90MHz-110MHz，且頻率步進(jìn)為100kHz。圖5.4、圖5.5為90MHz信號的輸出電壓幅度lOmV-lOOmV可調(diào)圖5.290MHZ信號輸出圖5.3110MHz信號輸出

圖5.410mv輸出電壓信號圖5.5100mv輸出電壓信號

5.2.2鎖定時間測試本系統(tǒng)通過向ADF4001配置寄存器，可以從MUXOUT引腳觀察鎖定過程電平變化過程逍，即觀察LED亮暗過程顯示整個鎖定過程，由圖5.6可知其鎖定時間小于1ms.圖5.6鎖定時間測試5.2.3頻譜分析測試頻譜分析測試圖如圖5.7,圖5.8和圖5.9所示，測試信號頻率范圍80MHz-100MHz,分辨率為100kHz,和全頻段內(nèi)的雜散頻率（大于主頻分量幅度2%為雜散頻率）個數(shù)。圖5.780MHz信號頻譜圖圖5.890MHz信號頻譜圖圖5.9100MHz信號頻譜圖以上為本次實(shí)物設(shè)計所完成的全部功能，由觀測數(shù)據(jù)可以得出我們完成了包括制作一個基于鎖相環(huán)的本振源，它的頻率范圍在90-100MHz之間，頻率進(jìn)步為100KHz，輸出電壓幅度10~100mv之間，在整個頻率范圍內(nèi)可自動掃描；掃描時間在1~5s之間可調(diào)，可手動掃描還可預(yù)置在某一特定頻率，以及完成了個別發(fā)揮部分，制作一個80MHz~~100MHz頻譜分析儀：頻率范圍80MHz~100MHz；分辨率100kHz。

5.3誤差分析5.3.1本振輸出信號誤差分析頻率穩(wěn)定度誤差：由2.3內(nèi)容可知鎖相環(huán)中鑒相器部分需要一個外部基準(zhǔn)時鐘信號作參考，一般由有源晶振提供，但是對電路，PCB處理不妥當(dāng)，如長距離繞線，走線使用過孔等。容易影響時鐘信號的質(zhì)量，造成輸出信號頻率穩(wěn)定度下降；且鎖定過程是一個動態(tài)調(diào)整的過程，主要是比較兩個信號的相位差值，這個差值趨于趨于一個固定值，但不會為0,所以不會嚴(yán)格滿足滿足基準(zhǔn)信號和輸出頻率的關(guān)系，這就影響到輸出信號頻率穩(wěn)定度[16]。幅值平坦度誤差：本系統(tǒng)對鎖相環(huán)輸出信號使用濾波器模塊和AGC模塊進(jìn)行處理，如果設(shè)計過程電路前后阻抗不匹配，AGC電路放大芯片帶寬和壓擺率不夠，使輸出信號幅值發(fā)生衰減或者失真和振蕩，如果AGC電路的檢波時間太慢，造成輸出信號幅值波動和變化。5.3.2頻譜分析誤差分析雜散頻率誤差本：振信號源的影響。沒有一種振蕩器是絕對穩(wěn)定的。雖然看不到本振系統(tǒng)實(shí)際頻率抖動，但是仍可通過頻譜圖觀察到本振頻率和相位不穩(wěn)定的表現(xiàn)，即相位噪聲。這些本振的不穩(wěn)定性通過和輸入信號-混頻后傳遞混頻分量,造成雜散頻率電平上升。它跟頻譜的分辨率仃關(guān)，若將分辨率縮小1（）倍，相位噪聲電平將減小I（）d135。良好的供地方式,有利于雜散電平?減少0幅值測度誤差：中頻濾波器作為帶限電路，需要“限的時間來完成充電和放電的過程，如果混頻脂掃過濾波器的速度過快，就會造成顯示幅度的丟失，即測試幅度的下降和偏移。造成數(shù)據(jù)采集的誤差?；祛l借部分：兩個輸入信號不等幅輸入，可能出現(xiàn)小的信號被大的信號淹沒情況；有效值檢測部分:輸出存在偏移;STM32的ADC采集的誤差都會影響最后的結(jié)果的測量。6總結(jié)與展望6.1總結(jié)本設(shè)計主要利用超外差原理實(shí)現(xiàn)了對信號頻譜分析的功能，覆蓋了80-100MH的頻譜范圍。對電壓值的標(biāo)定采用對比法，能得到很高的測量幅度與精度。通過示波器顯示頻譜值，并且可以根據(jù)使用需要設(shè)置中心頻率和顯示帶寬。系統(tǒng)硬件包括線性電源電路、AGC電路、鎖相環(huán)電路、混頻器電路、晶體濾波器電路、有效值電路、STM32系統(tǒng)板以及相關(guān)系統(tǒng)連接。本系統(tǒng)雖然沒有相應(yīng)的精度指標(biāo)，但是電路很好實(shí)現(xiàn)頻譜分析相關(guān)的功能，特別是本振信號源部分，設(shè)計內(nèi)容較為豐富，可以作為獨(dú)立的信號源使用。我們應(yīng)用了集成度較高的芯片構(gòu)成各功能模塊,提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。在設(shè)計中各個模塊的設(shè)計都很重要，只有掌握好各種芯片的性能指標(biāo)，使每級輸入的幅度和頻率都適合于能使他們發(fā)揮最好的效果，并且要注意各級的級聯(lián)，否則會影響整個系統(tǒng)的性能。通過這一綜合的實(shí)踐，很好的提高了自己的實(shí)踐操作能力，并對所學(xué)過的相關(guān)專業(yè)知識內(nèi)容進(jìn)行了回顧與整合。鍛煉了自己的綜合能力，我覺得這才是最終設(shè)計的意義所在。看到的是別人的，聽到的也未必是自己的，只有自己做過的才真正是屬于自己的，才算是收獲。相信所有的付出都必定是物有所值的。6.2展望在我們探索頻譜分析這一技術(shù)時由于各種各樣的限制條件，難免會遇到各種各樣的困難，在我們遇到問題時最好能及時解決它，以下是我對它的一些常見問題的改善：（1）對于校準(zhǔn)，可用到的方法是歸一化的方法。這種方法把接收機(jī)和源的頻率響應(yīng)移除。然而，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用更強(qiáng)大的誤差校準(zhǔn)技術(shù)，還可以消除不匹配和交調(diào)帶來的的影響。這就意味著，一般來講，和頻譜分析儀方法相比較，網(wǎng)絡(luò)分析儀可以進(jìn)行更準(zhǔn)確的測量。（2）在矢量模式下，將載波置于掃寬的中心位置，并將掃寬設(shè)置為包括調(diào)制信號的所有重要邊帶。在下面的89600S示例中，信號發(fā)生器的載波設(shè)置1GHz，速率設(shè)置為10kHz（正弦波），峰值頻偏設(shè)置為100KHz。分析儀的中心頻率設(shè)置為1GHz，掃寬設(shè)置為500kHz，默認(rèn)頻率點(diǎn)數(shù)量誰知為801（89600）或401（89400）。設(shè)置范圍，使OV1消息剛好消失。（3）過度激勵分析儀的輸入混頻器可能會導(dǎo)致雜散信號。大多數(shù)頻譜分析儀（尤其是使用諧波混頻擴(kuò)展調(diào)諧范圍的分析儀）都擁有二極管混頻器。將用于創(chuàng)建中頻信號的LO與該二極管混頻器中的輸入信號相結(jié)合時，創(chuàng)建內(nèi)部失真。為多種混頻器輸入電平規(guī)定第2個和第3個失真產(chǎn)品。針對您的頻譜分析儀，可參閱校準(zhǔn)指南或規(guī)范指南中的動態(tài)范圍曲線。無雜散動態(tài)范圍取決于混頻器中的輸入電平。（4）鎖相環(huán)模塊可以使用集成的芯片設(shè)計，可降低板間大小，增加系統(tǒng)穩(wěn)定。頻譜分析數(shù)據(jù)采集部分可以通過硬件増加放大等處理電路，軟件進(jìn)行電平校正，以增加系統(tǒng)測量精確度。參考文獻(xiàn)1]姚志強(qiáng)，胥布工，尹開顏，等．600MW機(jī)組輔機(jī)設(shè)備噪音振動FFT頻譜分析儀的設(shè)計［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2017，(2):35－39．[2]張亞洲，張超，王保銳，等．實(shí)時頻譜分析儀中并行FFT算法的FPGA設(shè)計［J］．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016，16(5):23－26．[3]吳小銳．超外差掃頻調(diào)諧式頻譜儀與