基于PIC32的高性能扫频调谐频谱分析仪设计方案

 一、引言

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。扫描调谐频谱分析仪基本结构类似超外差式接收器,工作原理是输入信号经衰减器直接外加到混频器,可调变的本振信号经混频器与输入信号混频降频后的中频信号(IF)再放大后经AD采样显示。

二、系统设计

系统框图如图1所示，该分析仪主要由DDS模块、混频电路、放大检波电路、频谱输出显示电路、键盘、主控部分等组成。通过PIC32控制AD985l，以产生正弦扫频输出信号，然后经滤波、程控放大得到稳定输出，与经放大处理的被测信号混频，再经放大、滤波、检波后，由ADS830E采集，并送至PIC32处理，最后由液晶显示频谱图和相关信息。

图1-系统框图

1、振荡电路采用DDS器件AD9851，只需少量的外围器件即可构成完整的信号源，且具有转换速度快，分辨率高，换频速度快，频带宽，控制方便，信号稳定等特点。

2、混频电路采用模拟乘法器集成器件AD835，其输入的差分电压不大于2 Vpp，一3 dB带宽，250 MHz，外围电路简单，且调试方便。

3、滤波电路采用专用滤波器MAX274，其优点是易于实现。外围电路简单，便于设定滤波器的中心频率、增益、截止频率及带宽，并能根据不同需求设计不同类型、不同阶数的滤波器。由于混频电路分上下混频，若采用上混频，则需高频窄带滤波器，这很难实现。因此这里采用下混频，只需设置一个中频窄带滤波器即可。

4、检波采用集成真有效值变换器件AD637，其测量信号有效值高达7 V，精度为0.5%，且外围电路简单，频带宽。

三、理论分析与计算

1 带通滤波器中心频率选择

从频谱分辨率的角度看.中频带通滤波器的通带宽度越小越好，但因其输入为扫频信号，为了保证输出具有一定强度，窄带宽就要求低扫频速率，而低扫频速率在大范围扫频时就需较长的扫频时间，从而影响仪器的数据输出率。按照要求分率为1 kHz。所以选定窄带滤波器的带宽为500 Hz，中心频率为100KHz，但考虑到MAX274设计滤波器的难度，将中心频率调至70 kHz。

2 波形识别与中心频率判断

等幅波形频率比较单一，其频谱也较简单，只有一条频谱线。如果调制信号为单音余弦波f(t)=cos(ωt)，则AM调幅波的表达式为：

式中：ma为调制指数;VCM为载波振幅。

单音调频信号的频谱相对复杂，可设调制信号频率为fΩ;调制频偏为△f，则信号带宽近似为2△f;谱线间间隔为调制信号频率fΩ，而各个谱线的高度则由贝塞尔函数得到。△f反映调频波所占带宽，△f越大，占用的带宽也越大，但每根谱线的间隔是不变的。

根据不同波形的频谱特征进行识别，在得到一个最大幅值和对应的频率后，再在剩下的点中找出第2个最大值A2和对应频率f2，然后判断(f1+f2)/2对应点的幅值，若较大，则为调频波，(f1+f2)/2即为它的中心频率;若很小，则是调幅波或等幅波,f1则为中心频率。由于调幅波带宽为20kHz，只需判断(f1-20)或(f1+20)的点值，若很小，为等幅波，否则是调幅波。

3 正弦电压有效值计算

AD637的内部结构包括有源整流器(即绝对值电路)、平方/除法器、滤波放大器、独立缓冲放大器和偏置电路。其中，缓冲放大器既可用作输入缓冲，也可构成有源滤波器滤波，提高测量准确度。根据AD637数据资料所给出的真有效值的经验计算公式：

Vrms="Vin2/Vrms"

式中：Vin为输入电压;Vrms为输出电压有效值。

测量其峰值系数高达10的信号时，采用AD637，其附加误差仅为l%，外围元件少，频带宽。有效值为200 mV的信号，一3 dB带宽为600 kHz：有效值为l V的信号，一3 dB带宽为8 MHz。同时，AD637可用dB表示输入信号电平，计算多种波形的有效值、平均值、均方值和绝对值。

四、程序流程图

图2-主程序流程图

图3-扫频流程图

图4-增益控制流程