一种基于STM32的外差式频谱仪设计.pdf

船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 52 一种基于一种基于 STM32 的的外差式外差式频谱仪设计频谱仪设计 毕 涛，刘 迪，葛宝川，张大为（海军航空大学航空基础学院，山东烟台 264001）摘 要：本系统原理基于外差式频谱仪，结合单片机 STM32，采用锁相环技术，达到了本振源、频谱分析仪的设计任务。该系统选取 HMC830 作为锁相环芯片，采用了两次下混频、带通滤波的模拟超外差式的结构，其中使用了 AD846 作为混频器，SFU465B 作为带通滤波器，ADL5614 作为检波器，ADS828 作为采样芯片。经过测试与分析，系统分辨率达到 100 kHz，能显示信号频谱和对应幅度最大的频率，能够测试杂散频率，并在频谱显示方式上有所创新。关键词：外差式频谱分析仪 锁相环 带通滤波器 AD 采样 中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2023）06-0052-04 Design of a Spectrum Analyzer Based on STM32 Bi Tao,Liu Di,Ge Baochuan,Zhang Dawei（School of Basic Science for Aviation,Naval Aviation University,Yantai 264001,China）Abstract:The principle of this system is based on heterodyne spectrum analyzer,combined with SCM STM32,and adopts phase-locked loop technology to achieve the design task of local oscillator and spectrum analyzer.The system selects HMC830 as the phase-locked loop chip,and adopts an analog superheterodyne structure of twice down mixing and band-pass filtering,in which AD846 is used as the mixer,SFU465B is used as the band-pass filter,ADL5614 is used as the detector,and ADS828 is used as the sampling chip.Through testing and analysis,the system resolution reaches 100 kHz,which can display the signal spectrum and the frequency with the largest corresponding amplitude,test the stray frequency,and innovate in the spectrum display mode.Keywords:heterodyne spectrum analyzer;phase locked loop;band pass filter;AD sampling 0 引言引言 随着电子信息技术的迅速发展，现代频谱分析仪逐渐向模块化、数字化的方向演变。频谱分析仪是对电信号进行测量的必备仪器，是从事电子产品研发、制造、校验的常用工具。在教学领域中，如果没有频谱分析仪辅助观察，学生只能抽象理解信号特征，严重影响理论教学和实验效果，所以设计一种基于 FPGA 的频谱分析仪，具有灵活性、开放性、成本低、便于携带等特点，主要用于工业设计开发和实验教学信号检测等，现实意义重大。收稿日期：2022-11-09 作者简介：毕涛（1986-），男，讲师。研究方向：控制工程。E-mail: 1 系统结构系统结构 本系统能够满足如下指标：制作基于锁相环的本振源，频率范围 90 MHz110 MHz，输出电压幅度 10 mV100 mV。制作电路可观测锁定过程。制作频谱分析仪（90 MHz110 MHz），能够显示信号频谱和对应幅度最大的信号频率并测试杂散频率（大于主频分量幅度的 2%为杂散频率）。该系统选用模拟滤波、下混频的硬件结构，本振源选用 HMC830 锁相环，使用 ADL5614 检波器和 AD846 模拟乘法器混频，系统整体结构如图 1 所示。2 系统方案设计系统方案设计 Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 53 2.1 模拟式频谱分析仪 扫频外差法是频谱依次通过恒定的滤波器,如图 2 所示。滤波器中心频率恒定，信号经过放大与本振频率混合，使频谱顺次进入窄带滤波器。通过峰值检波、采样后得到信号幅值，依据锁相环扫频的幅值和频率，绘制频谱。ADAD835835混频器混频器A A/D D采样采样HMCHMC830830本振源本振源控制器控制器接口接口显示显示ADLADL55135513检波器检波器窄带带通窄带带通滤波器滤波器信号信号输入输入控制器控制器（STMSTM3232）图 1 系统整体结构 混频混频窄带窄带滤波器滤波器检波器检波器控制器控制器锁相环锁相环本振本振显显 示示 图 2 超外差式频谱仪基本原理 该设计能分析的频谱范围广阔，电路设计是重要的环节，程序设计相对容易，频谱分析仪中元器件的选取更加自由，可大幅度提升扫频范围和频率的分辨率。2.2 锁相环本振源设计 本振源的扫频输出是线性的，其频率范围和输入信号相同。选取 HMC830 作为锁相环芯片，具有噪声低，频带宽，稳定性高，功能集成性好，频谱性能好等优点。其输出功率动态范围是 9 dB（3 dBstep），唤醒时间较短；精准频率模式可以输出极小的步进。由于该芯片内部集成了 VCO的小数分频锁相环芯片集成了 VCO、PFD 及分频器、功放，所以仅需搭接电阻和电容组成的无源滤波器，设计操作简便。2.3 混频器设计 混频器是将输入信号变换为频率固定的中频信号，其性能直接影响接收机动态范围等，采用模拟乘法器（AD846）。模拟乘法器为带符号的差分输入方式，输出按四象限乘法结果表示，误差较小，乘方计算误差小于 0.5%；输出端为集电极开路差分电流结构，可以保证范围为 DC500 MHz 的宽频带响应特性；当输入等于 0dB 的时候，失真度不大于 0.1%；功耗较低，不大于 305 mV；电路调试简便。2.4 滤波器设计 滤波器决定了频谱分析仪输出频谱的分辨力和形状。混频电路分为上混频和下混频。若选用上混频，窄带滤波器需适用高频；若选用下混频，窄带滤波器需适用低频。而频率较高的窄带滤波器电路设计较难，所以采用下混频，则需设计低频窄带滤波器。滤宽频段 90 MHz110 MHz 的频率波优先模拟滤波器，其具有操作方便、灵活性好、测量速度快、精确度高等优点。2.5 检波器设计 检波器主要用于识别波、振荡或信号变化的器件，用来提取信号中所携带的信息。包络检波器响应迅速，性能稳定，功率损耗较小，适用于解调幅频信号；采用渐进压缩技术，链路每一级都配备一个检波器单元，能够精确地将射频输入信号转换为相应的分贝标度输出，测量精确度高，误差小。3 系统理论分析与计算系统理论分析与计算 3.1 锁相环本振源工作原理 设输入信号u=sint(t)rrrrw（t）U，rw为角频率，Ur为振幅，(t)r为相位。设输出信号oo00=cos()u tUwtt（），两 信 号 瞬 时 差e(t)=(wr+r)-(w0t+0(t)，瞬时频差为d(t)/dd(t)/derootwwt，锁定后，信号之 间 的 相 位 差 趋 于 稳 定 值，偏 移 量 为0d(t)/drtww，输 出 信 号 工 作 频 率 为00d(t)/dwd(t)/derwtttw。因此，输入信号与输出信号的相位之差是定值，属于同步信号，锁相环原理如图 3 所示。鉴相鉴相器器低通滤低通滤波器波器压控振压控振荡器荡器frfrUdUdUcUcfofoLFPLFPPDPDVCOVCON Nfdfd 图 3 锁相环原理 3.2 带通滤波器 带通滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样性能就与设计更加接近。然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦，会出现“波纹”。本设计选取模拟滤波器，考虑其测量速度快、锁定时间短、操作方便、灵活性好、精确度高等因素。3.3 超外差频谱仪 超外差频谱仪原理是射频输入信号通过衰减器，经过低通滤波器到达混频器。其输出信号在船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 54 频谱仪的 Y 轴方向显示信号的幅值，在 X 轴方向显示频率。超外差频谱仪结构如图 4 所示。3.4 混频器 混频是将调波之后的频谱准确地移动至中频上。当混频的频率等于中频时，通过中频放大器放大后，进行峰值检波。本设计中考虑到功率损耗、准确度、误差范围、线路的放大、研发与测试，混频可采用模拟乘法器（AD846）。信号输入信号输入输入衰减器输入衰减器低通滤波器低通滤波器混频器混频器中频放大器中频放大器中频滤波器中频滤波器包络检波器包络检波器视频滤波器视频滤波器显示器显示器扫描产生扫描产生器器本地振荡器本地振荡器 图 4 超外差频谱仪的结构图 3.5 包络检波器 包络检波器是基于滤波检波的振动信号处理方法来测量视频信号的器件。可运用二极管单向导通和低通滤波来实现信号的转变。ADL5614 是解调包络检波器，检测迅速、工作稳定、功率损耗 较 小、精 度 高，所 以 本 设 计 检 波 器 采 用ADL5614。4 系统软硬件设计和实验结果系统软硬件设计和实验结果 4.1 系统硬件设计 系统硬件主要由 STM32、一次混频模块、带通滤波器、二次混频模块、HMC830 锁相环模块、AD 模块、TFT 显示模块构成，硬件框图如图 5所示，硬件实物如图 6 所示。锁相环HMC830一次混频频被被测测信号信号80100MHz二次混频频带带通滤滤波器频谱频谱及参数TFT显显示A/DC信号采集STM32 图 5 硬件框图 图 6 硬件实物图 4.2 锁相环本振源和相位锁定电路 采用HMC830LP6GE这款高精度宽带锁相环作为本振源，其集成了 VCO 与分频器，输出信号可调，符合 10100mV 的设计标准。具有锁定相位功能，通过 STM32 处理,符合设计对观测锁定过程的要求，HMC830 电路设计如图 7 所示。图 7 HMC830 电路设计 4.3 一次、二次混频器设计 模拟乘法器（AD846），带宽为 250 MHz，外围电路简单，易于实现，满足最大 200 MHz 的设计要求。采用 10.343 MHz 的信号源进行变频，处理到 356 kHz。实验中可发现频率变化时，AD846 信号输出会衰减，所以选取 OPA700 作为增益模块。在 90110 MHz 范围内，幅值和相位准确度较高，接入放大器线路工作正常。AD846及其放大器线路如图 8 所示。P1 SMBGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDL1+5C1C20.01uF10uF1234GNDAD835Y1Y2VNZX1X2VPWR32KR4200P3 SMB混频器混频器C3C40.01uF10uFL2+5P2 SMB8765 图 8 AD846 及其放大器线路 锁相环锁相环锁定锁定信号强度信号强度采集记录采集记录频谱显示频谱显示配置锁相配置锁相环寄存器环寄存器 图 9 系统软件实施方案 4.4 系统软件设计 采用 STM32 调节本振源的频率值，对中频进行采样并存储，显示器显示频谱。系统软件实施方案如图 9 所示，锁相环输出调试图如图 10所示。4.5 锁相环本振源的测试结果 对输入信号幅度和频率测试，最终结果分别Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 55 如表 1、表 2 所示。图 10 锁相环输出调试图 表 1 幅度测试 设置值(mV)10 30 50 70 100 真实值(mV)12.2 31.2 51.3 73.0 105.3 误差大小(mV)2.2 1.2 1.3 3.0 5.3 表 2 频率测试 设置值(MHz)90 95 100 105 110 真实值(MHz)90.000012 95.000009 100.000013 105.00013 110.000003 误差大小(Hz)12 9 13 13 3 4.6 频谱分析仪测试结果 VSHSDISCLK场消隐场消隐行消隐行消隐480行有效数据行有效数据640点有效数据点有效数据124801640 图 11 显示器扫描时序 图 12 显示部分程序 频谱图的频率点对应显示器的列，扫描时序如图 11 所示，显示部分程序如图 12 所示。频率点个数为(11090)MHz1201100 kHzN。设主频量是0A，则杂散频率个数是01(0.02)NiiiSS AA。对被测信号频率进行分析并做杂散测试，结果如表 3、4所示。表 3 频率分析 信号输入(MHz)90 95 100 105 110 频谱分析(MHz)90.3 93.4 98.9 104.6 109.8 误差(MHz)0.3 1.6 1.1 0.4 0.2 表 4 杂散测试 信号输入(MHz)90 95 100 105 110 2%杂散个数 47 46 53 38 87 5 结论结论 本系统原理基于外差式频谱仪，并结合STM32设计。经实验调试和理论分析，系统各项参数较好，可实现测量频率精度小于5%，测量幅度精度小于2%，各项技术指标达到预期效果。在教学方面由于仪器能够方便的显示频谱结构图，有助于实验教学中学生更直观的观测信号频谱，提升教学效果，具有一定的实际应用价值。参考文献参考文献:1 郭裕丰,王文虎,吴金飞.一种简易频谱仪的实现J.自动化技术与应用,2019,38(4):123-126.2 王平,张新东.基于智能仪表的数据采集系统设计J.自动化与仪表,2009,24(4):9-10.3 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