系统总体设计方案及实现方框图

简易频谱分析仪(C题)

摘要

本系统以单片机(MCU）为控制核心，辅以可编程逻辑器件（FPGA)，用数字

频率合成芯片AD9851产生扫频信号，利用无源混频器件ADE—1ASK实现混频,

基于外差式频谱分析原理,成功实现了对频率范围为1MHz～30MHz电压有效值

为20mV5Mv的信号的频谱测量与分析，并将其在示波器上显示，测量的中心



频率和扫频宽度可通过键盘设置并在单片机的液晶屏上显示其频率及幅值。人机

界面友好

关键词：外差式频谱分析 DDS扫频 示波器显示 无源混频

Facile Spectrum Analysis Apparatus

Abstract

Bad on the theory of spectrum analysis， with SCM as its nucleus and FPGA as its

subsidiary part， applying the DDS technology to generate frequency-scaning signals，

the apparatus is able to analyze input signals and display the result on the oscillograph。

The frequency of the given signal can range from 10MHz to 30MHz and the virtual volt

from 20mv to 5Mv, with both central frequency and scaning frequency range

changeable.

Keywords: spectrum analysis， DDS frequency scaning

1。1题目任务要求及相关指标的分析2

1。1。1设计任务：2

1.1。2.设计要求:2

1。2方案的比较与选择3

1。2。1扫频信号发生器的设计方案论证与选择:3

1。2。2混频电路的设计方案论证与选择：4

1。2。3窄带滤波器的方案论证和选择：4

2、系统总体设计方案及实现方框图：5

2。1系统设计5

2。2说明6

3、理论分析与计算6

3。1基本要求的实现:7

3。1。1频率测量范围：7

3。1。2频率分辨力7

3。1。3输入信号电压有效值和输入阻抗7

3。2发挥部分的实现：8

3。2。1 将频率测试范围扩展到1MHz～30MHz。8

3。2。2调频调幅等幅波的识别8

其他:8

4．主要功能电路的实现8

4。１．输入阻抗变换电路8

4。2DDS信号源电路

．中频窄带滤波电路9

4。4．峰值检测电路9

4。5 A/D采样电路9

．D/A转换电路9

4。7.混频电路9

5、系统软件的设计9

5.1 整个系统的软件设计流程:9

6、测试数据与分析9

．测试原理与方法9

频率测量范围的测量9

．使用仪器及型号10

6。3．测试数据结果：10

7、参考文献10

8 结语：10

1。方案论证与选择

1.1题目任务要求及相关指标的分析

1。1。1设计任务:

采用外差原理设计并实现频谱分析仪，其参考原理框图如图所示:

信号处理 显示

电路 电路

输入

ff

Lx

混

频

器

放

大

器

滤

波

器

检

波

器

Y

示

波

器

X

扫频发生器

f

x

f

L

本机振荡器

参考原理框图

1。1.2。设计要求：

(1）基本要求:可以测量频率在10MHz～30MHz范围，有效值为

20mv错误!未定义书签。错误!未定义书签。±5mv的信号的频谱，要求输

入阻抗为50Ω，频率分辨率为10k才Hz，扫频信号的中心频率以及扫频宽

度可设置,利用示波器显示被测信号的频谱图，并显示间隔为1MHz的频标.

(2）发挥部分:将频率测量范围扩展至1MHz～30调制度=30％，调制信号的

m

a

频率为20kHz；调频波的频偏为20kHz，调制信号频率为1kHz。

实现其他创新功能。

1。1.3题意分析:

题目明确要求用外差原理实现频谱分析，将输入信号与本振信号（扫频信号）

进行混频经窄带滤波器，得到中频信号，对该中频信号进行峰值检波所得的结果

就可以线性表示该频率分量的幅值,将周期性扫频信号与检波输出信号分别送示

波器的X和Y信道,用示波器的X—Y显示模式，便可以在示波器上显示出被测

信号的频谱图。

后级窄带滤波器的带宽大小就是频谱分析仪频率分辨率的大小，而后级窄带滤波

器的带宽又受到扫频信号频率步进频率大于后级的窄带滤波器的带宽，就有可能

漏掉某些频率成分。

方案的比较与选择

扫频信号发生器的设计方案论证与选择：

方案一:用传统的分离元件搭建振荡电路，在LC震荡电路中采用压控变容二极管或

在RC振荡电路中用压控电阻，由单片机送控制数，经D/A转换为电压量后控

制电路中的压控器件，振荡电路的频率值便随控制数的变化而变化，以此来产

生扫频信号。该方案实现简便但是频率精度低,输出波形稳定性差，抗干扰能力

差,而且题目要求的扫频信号频率高,范围大,很难找到合适的压控器件来实现该

电路.

方案二：用集成的压控震荡器,采用闭环反馈控制，实现框图如图1.2。1。

用单片机送控制数 ，经D/A后的得到的电压作为集成压控震荡器的控制电压，

其输出的波形一方面经低通滤波器以平滑波形，一方面经A/D后再送至单片

机，以调整单片机的输出.该方案可以提高输出波形的稳定度,但是其输出的频

率精度受VCO的定时元件的精度、热稳定性以及电源的稳定性影响,虽然采用

闭环控制提高了频率的稳定度,但是频率精度仍然无法保证。

图1。2.1 闭环反馈控制振荡器原理框图

方案三:直接使用集成DDS芯片产生扫频信号。DDS芯片是由相位累加器，相幅转

换函数表，D/A转换器以及内部时序控制产生器等电路，其中相位累加器从零

开始对时钟信号进行计数，以控制电路所给定的步长，每来一个脉冲便往累加

器加一，由于累加器的长度一定,在一个特定时间，累计器从零到溢出的时间可

控 ，由其对应于一个正弦波的周期，相幅转换表将相位累加器送来的相位信

号转换为对应的正弦波的幅度信号，经D/A转换后便得到所需的波形,在后级

加低通滤波器便可以得到所需波形。该方法产生的频率稳定，频率精度高，易

于控制,而且已有的DDS芯片可以产生题目所要求的高频信号。

经过上述分析比较，从题目所要求的频率范围以及产生波形的稳定度和精

度等方面因素的考虑,采用方案三来产生扫频信号。

1.2。2混频电路的设计方案论证与选择：

方案一：用现有模拟乘法器实现混频,该方案电路简单，输入端只需电压激励，

一般不必加匹配网络,各端口之间隔离度高，使用方便，但是乘法器的－3dB处

增益带宽只有1MHz，这就限制了乘法器的工作范围，所以该方案适用于频率

较小而幅度较大的信号。

方案二：采用接收机中常用的三极管混频器，其原理如图1.2。2所示，

图中

vt

s



为射频输入，为本振输入，为中频输出。为了保证频谱的纯

vtvt

LI



度，射频输入和中频输出都使用了LC选频电路，适用于固定频率的本振信号的

混频

图1。2。2 三级管混频电路图

方案三:用二级管环路振荡器进行混频，实现电路如图1.2。3所示。

图1。2.3 二极管环路混频原理图

该方案电路简单、噪声低,组合频率分量少混频失真小,且工作频带宽,但是由于

是无源混频，考虑到传输线变压器、二极管损耗和Vxm≤Vlm的条件，所以混

频输出信号较低,一般需要采用现放大后滤波的方式来解决，但是这样很容易在

放大器内部产生组合频率的干扰失真。

考虑到本系统的被测信号是频率为1MHz的~30MHz有效值为20mv±5mv

的信号,以及扫频信号可变决定选用二极管环形混频器来实现混频。minicircuits

公司的Level7微波混频器ADE－1ASK，其内部电路图如图1。2。4所示,它能

正常工作在50KHz～12GHz的频率范围内,它变频损耗低，且其引脚少,外围电

路简单，是一款不错的混频芯片，适用于本系统要求.

图1.2.4 ADE-1ASK 内部电路图

1。2。3窄带滤波器的方案论证和选择： 方案一：采用分立元件搭建多阶无

源窄带滤波器,该方案虽然可以通过提高滤波器的阶数来实现的边沿陡峭的窄带

滤波器,但是由于计算所得的元件参数值实际上难以精确得到使得该方案不可

行。

方案二：选用合适的陶瓷滤波器，陶瓷滤波器的通带品平坦，但是市面

上没有频率适合本系统的卖,需要定制。

方案三：利用晶振良好的选频特性做窄带滤波器，但是由于其通带太窄,

而题目要求的频率分辨率为10kHz，无法符合题目要求。

方案四：用可控制的集成滤波器实现,可以精确设定窄带滤波器的中心频率,

可以通过简单调整外围电路的元件参数改变滤波器的带宽.

考虑到本系统题目明确要求的频率分辨率为10kHz,以及物理可实现等方

面的因素考虑，选用第四种方案来设计窄带率波器。

1。2.4检波电路的方案论证和选择：

方案一：将经过窄带滤波器后的中频信号进行A/D采样，送FPGA或单

片机分析和处理，得到中频信号的峰值，该方案准确度高，但是加大了软

件部分的工程量。

方案二:用集成有效值测量芯片测得中频信号的有效值,以得到的值作为

示波器的垂直输入,来线性表征该频率的幅值。但是由于前级的窄带滤波器

不是做得足够的窄，实际得到的中频信号的频率分量有可能不纯，换言之

就是其测得的有效值并不能表示该频率分量的幅值。

方案三:用简单的二极管峰值检波电路，检得中频信号的幅值，再在后级

加电流补偿电路补偿电流，以得到平稳得直流电压.

综合考虑电路实现的复杂度以及精度，选择方案三来实现检波.

2、系统总体设计方案及实现方框图:

2。1系统设计

系统框图如图2。1。1所示

LCD

单

片

机

键RAM

盘

显

示

D

D

S

滤放

波大

电电

路 路

前级信号处理电路

F P G A

A/D电路

D/A电路

混

频

电

路

A/D电路

窄

带

滤

波

器

检

波

电

路

可变

增益

控制

电 路

示

波

器

示

图2。1。1系统框图

2。2说明:本系统利用单片机送控制给DDS集成芯片让其产生周期性扫频信号，

经过低通滤波器平滑其输出波形，经后级放大电路后一方面与经过前级处理的

过的信号一起送混频电路进行混频，一方面经A/D后的送FPGA。混频后得到

的信号经过可变增益控制电路后送窄带滤波器得到相应的中频信号，中频信号

经检波后A/D送FPGA，两路信号经处理后送D/A给示波器显示。

3、理论分析与计算

3。1基本要求的实现:

3。1.1频率测量范围：

要求频率测量范围为10MHz到30MHz，这就要求产生本振信号的扫频信号

源产生的信号频率要在30MHz以上,我们用集成DDS芯片AD9851来实现，而

AD9851的工作频率为180MHz，频带宽，正常输出工作频率范围为0～72MHz。

完全可以满足题目要求。

3。1。2频率分辨力

频谱仪分辨力指的是将两条相邻谱线分辩出来的能力，其大小主要取决于窄

带滤波器的带宽。题目要求的分辨力为10kHz，就是说窄带滤波器的带宽最大为

10kHz。与此同时扫频信号的频率步进必须小于10kHz，否则就有可能漏掉部分

频率分量，选择集成开关电容滤波器MF10来实现，选用MF10的mode1工作模

式作为来实现窄带滤波。

Q

Rf

30

Rff

2HL

fff

0HL

R

3

R

1

H

OBP

fQ100k

0

取

f

0

＝10kHz，Q＝1，通过上面的公式可计算出＝15kHz，＝25kHz.

ff

HL

R1=R2=10K， R3选用103的滑变

实测显示该滤波器完全能够达到预想性能。

另外,在产生X轴行扫描信号的DAC位数一定的情况下，频谱仪的分辨力决

定了它的最大扫频宽度。例如8位的DAC产生的扫描信号使得示波器一屏最多

显示256个点，而要满足题目的分辨力10kHz的要求的话，则一屏最多为256×

10000=2.56MHz，即最大扫频范围为2。56MHz。

3.1。3输入信号电压有效值和输入阻抗

题目要求输入电压有效值为20mV±5mV，输入阻抗为50Ω所以在前级加以

反相放大器来实现具体.

:

3.2。1 将频率测试范围扩展到1MHz～30MHz,有上述对AD9851的分析可知，

该功能亦可实现。

3.2.2调频调幅等幅波的识别

题目要求能识别调幅、调频和等幅波信号及测定其中心频率的功能，实现这

个功能最好是混频后采样送FPGA，进行FFT分析。

3.2。3其他:

通过改变窄带滤波器的带宽，减小扫频信号的步进频率，可进一步提高改扫

频仪的频率步进

4．主要功能电路的实现

4.１．输入阻抗变换电路

由于要求系统输入阻抗为50，因此需要在系统前级输入端进行阻抗变换。



采用如图所示电路实现，利用同相放大器高输入阻抗的特点得到50输入阻抗.



此外，通过此放大器也能使输入有效值为20mV的信号得以放大提供给后级.选

用高速运放AD811,其输出阻抗为9，为了满足混频器ADE－１ＡSK输入阻抗



匹配的条件，在放大器后端接入串联一个39电阻，以提供约50输入阻抗。





具体电路如图4.1.1:

4。2 DDS信号源电路如图4。2.1所

示:

图4.2.1 AD9851电路图

4。3．中频窄带滤波电路

为了获得较好的中频信号、滤出高次谐波,需要使用一个带通滤波器实现.

对此滤波器的要求主要是通带要平坦，过渡带要陡。已选用MF10来实现

滤波，理论分析部分以对电路进行分析,为了是过渡带陡峭,采用4级级连的

方式，微调R3的值使得带宽仍保持在10kHz。具体电路如图4.3所示.

图4.3 窄带滤波电路（2级）

4。4．峰值检测电路

具体电路图如图4。4所示

图4。4峰值检波电路

4。5 A/D采样电路

A/D变换选用常用的MAX197完成,此器件转换精度高，数据稳定，：

图4.5 MAX197连接图

4。6．D/A转换电路

图4。6 0800的连接图

4。7。混频电路

混频电路的实现由于采用了微波混频器ADE－1ASK而变得异常简单。ADE

－1ASK仅有6个引脚，其中3个是地，另外3个则分别是射频输入,本振输入和

中频输出，其引脚图如图4。7，所以只需将相应的信号连接到对应的引脚上就

行了。由于该器件是无源器件，噪声系数非常小，动态范围也很大，唯一需要注

意的是3个引脚的端口阻抗均为50Ω,在连入系统时需要考虑到阻抗匹配的问题,

但其射频输入口的输入阻抗恰好符合题目对系统的输入阻抗要求。

GND LO

ADE-1AS

IF GND

RF GND

图4.7

ADE-1ASK引脚图

5、系统软件的设计

5.1 整个系统的软件设计流程如图5.1所示：

图5。1 软件流程图

6、测试数据与分析

6.1．测试原理与方法

频率测量范围的测量

由于所用混频器的频率范围远高于系统工作频率范围,因此整个系统的频

率测量范围取决于本地振荡信号的频率范围，确定频率测量范围只需要测量

本机DDS本振源能够输出的幅度稳定、频谱纯净的正弦信号范围.由于频率

较高，必须使用采样频率足够高的示波器来测量其幅度。

输入阻抗的测量

6.1。3窄带滤波器的幅频特性测量

在输入幅度３V情况下测量不同频率时滤波器的输出,即可得到窄带滤波

器的幅频特性.

6。1。4中心频率的测定

输入不同类型：等幅、调频、调幅信号，测量其中心频率，并于信号源

的读数比较,即可以确定频率精度和分辨率。

6.2．使用仪器及型号

清华同方PC机：Pentium（R）4 CPU 1。80GHz+256M Byte内存+Windows

XP操作系统

直流稳压电源:SG1733SB3A

500MHz高频数字存储示波器：Tektronix TDS3052B

60MHz数字存储示波器:Tektronix TDS 1002

20MHz模拟示波器：YB4320G

数字信号源：Agilent 33120A

数字多用表:FLUCKE 17B

高频信号源：QF155A

6.3．测试数据结果由上面的测试结果可以看出,本设计完成了频谱分析仪的基本

要求，能够对一定频率范围内的输入信号进行简单的频谱分析，实现的功

能及性能、指标包括：

１、１MHz～30MHz频率测量范围；

２、对电压有效值２０mV５mV的输入信号频率分辨率10KHz，且通过



调节窄带滤波器的带宽将分辨率进一步提高，系统输入阻抗为５０;



３、可设置中心频率和扫描频宽;

４、在示波器上显示被测信号频谱图,并显示频标，在显示器上对应显示当前频标

刻度值；

５、示波器显示屏幕上光标消隐，光标处频率值,光标移动,区域频谱图放大

和缩小；

7、参考文献

［1］ 谢嘉奎等编，〈〈电子线路(非线性部分）〉>，北京：高等教育出版社,

2002年第四版

［2］ 夏宇闻编，<数字系统设计教程〉>，北京：北京航空航

天大学出版社，2003年7月第一版

［3］ 王立巍，〈〈扫频仪频谱分析功能的开发及应用〉〉，徐州师范大学学

报(自然科学版），1999年7卷第4期

[4] 毛敏,王淑仙，刘锦高，〈<新型直接数字合成式扫频仪的原理和研

制>〉,仪器仪表学报，2004年25卷第4期

［5]郭勇 肖明清 谭靖 王学奇,〈〈DDS芯片AD9851 及其应用〉>，电

子技术，2001年第二期

8 结语：

本系统中未达到的功能和指标主要是不具有识别调幅信号、调频信号、等幅

信号功能（但能测定其中心频率)。

系统未能达到上述指标的原因主要是由于滤波器的性能还不够高,无法准确

获取所要考察的频率点的幅值,使谱线的识别不够准确.对此，可以利用高速AD

进行采样后利用高阶数字滤波器获得很好的滤波性能.此外,还可以对混频后的信

号进行FFT分析获得其频谱特性，这样既是对差分法的补充，而且可以更准确

地识别信号频谱。