基于DDS的频谱分析仪的设计与应用

2015-04-23 12:00:11   来源:eechina   

关键字: DDS  频谱分析仪  滤波器

1 引言 

直接数字频率合成(DDS)是近几年一种新型的频率合成法,其具有频率切换速度快,频率分辨率高,以及便于集成等优点。在此,设计了基于DDS的频谱分析仪,该频谱分析仪依据外差原理,被测信号与本征频率混频,实现信号的频谱分析。 

2 系统设计 

图1给出系统设计框图,主要由本机振荡电路、混频电路、放大检波电路、频谱输出显示电路等组成。通过单片机和现场可编程门阵列(FPGA)共同控制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MAXl97采集,并送至单片机处理,最后由示波器显示频谱图像和液晶显示相关信息。 

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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。 

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。但缺点是输出偏置电压较高,其典型值为±25 mV,故后级需加隔直电路。 

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。 

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。 

3 理论分析与计算 

3.1 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,中心频率约100 kHz,但考虑到采用MAX274设计滤波器的难度,将中心频率调至70 kHz。 

3.2 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: 

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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。 

由图2可知,fΩ影响每根谱线之间的间隔,fΩ越小,频谱线的间隔也越小,频谱看起来越紧密;fΩ越大,频谱线间隔越大,频谱看起来则越稀松。但频谱占用带宽是不变的。 

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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。 

3.3 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" (2) 

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。 

4 硬件电路设计 

4.1 本机振荡电路 

AD985l内部含有高速、高性能的10位D/A转换器,可用作全数字编程控制的频率合成器。在外接精密参考频率源时,其产生频谱纯净、频率和相位可编程控制,且稳定的模拟正弦波。图3给出其系统功能原理框图。采用AD985l作为DDS信号源,产生所需扫频信号。为避免高频干扰,采用PCB板实现。 
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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0423/article_11516.html
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