云南师范大学通信原理实验-03(频谱分析).doc

本科学生实验报告

云南师范大学教务处编印
一、实验设计方案
实验序号
实验3
实验名称
频谱分析实验
实验时间
2014-3-28
实验室
云南师范大学同析3栋通信原理实验室
1、 实验目的
1.1通过对输入模拟信号频谱的观察和分析，加深对傅里叶变换的信号频率特性的理解。
1.2掌握频谱分析模块的实验方法。
2、 实验内容
2.1 将信号源输出的模拟信号输入本模块，观察其频谱。
2.2 将其他模块输出的模拟信号输入本模块，观察期频谱。
3、 实验仪器及实物图
3.1 信号源模块（一块），如下图；

图一 信号源实物图
其中信号源中的主要器件有：
① CPLD：ALTER MAX EPM3256ATC144-10，该器件是Altera公司的MAX 3000系列CPID，其特点如下：
l 高性能，低功耗CMOS EEPOM技术
l 遵循IEEE STD.1149.1 JOINT TEST ACTION GROUP(JTAG)增强的ISP功能
l 高密度可编程逻辑器件，5000可用门
l 4.5-ns pin to pin 延时，最高频率227.3Mhz
l I/O接口支持5V、3.3V和2.5V等多种电平，实物图如下：

② 存储器：ATMEL AT28C64B
l ATMEL(爱特梅尔)AT28C64是一种采用NMOS、CMOS工艺制成的8K×8位28引脚的可用碘擦除可编程只读存储器。
l 其读写像SRAM操作一样，不需要外加任何元器件，读访问速度可为45ns-450ns,在写入之前自动擦除，有部分芯片具有两种写入方式，一种像28（C）17一样的字节写入方式，还有另一种页写入方式，AT28C64的也寄存器为64B。
l ATMEL并行节后EEPROM程序储存器芯片AT28C64采用单一电源+5V±0,1V，低功耗工作电流30mA,备用状态时只有100pA出，与TTL电平兼容。
l 一般商业品工作温度范围为0-70℃，工业品为-40-+85℃。
实物图如下：

③ MCU:ATMEL AT89S51
AT89S51-24PC单片机，最高工作频率24M，供电电压范围4.0-5.5V，40脚DIP封装，片内4K字节的FLASH程序存储器，128字节的片内ram，2个定时器、计数器，6个中断源等。
实物图如上.
3.2 20M双综示波器（一台），如下图：

3.3 连接线（若干），如下图：
3.3频谱分析模块，如下图：
频谱分析中的主要元件：
（1） 可编程逻辑器件CPLD：ALTERA MAX EPM7128SLC84-15
可编程逻辑器件CPLD，同实验2.
（2） 数字信号处理芯片DSP：TMS32VC5402
TMS32VC5402芯片是C5000系列中性价比较高的一颗芯片，独特的6总线哈佛结构，使其能够6调流水线同时工作，工作频率达到100Mhz，VC5402除了使用VC54x系列中常用的通用I/O口，还为用户提供了多个可选的GPIO，HPI-8和McBSP。
TMS32VC5402是IT公司近年推出的性价比比较高的定点数字信号处理器，器主要特点有：
① 操作速率达100MHz；
② 具有先进的多总线结构（1条程序总线，3条数据总线和4条地址总线）；
③ 40位算术逻辑运算单元（ALU），包括1个40位桶形移位寄存器和个独立的40为累加器。
④ 17位并行乘法器与40位专用加法器相连，用于非流水线式单周期乘法、累加（MAC）运算；
⑤ 双地址生成器，包括8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术运算单元（ARAU）。
⑥ 数据、程序寻址空间1M16bit，内存4k16bit和16K16bit双存取RAM；
⑦ 内置可编程等待状态发生器，锁相环（PLL）时钟发生器，2个多通道缓冲 串行口；1个8位并行为外部处理器通信的HPI口，2个16位定时器及6通道DMA控制器。
⑧ 低功耗，工作电源3,3V和1,8V。
（3）29LE010
29LE010是12K×8BitEEProm存储器。
4、实验原理、实验流程或装置示意图
实验原理：
在本实验箱中，模拟信号从S-IN输入，进过低通滤波器以后，通过用拨码开关SW01进行选择的通道对经预处理后的模拟信号进行AD转换，然后数字信号传送到U01进行处理，最后把处理后的信号经两片8位DA转换器进行DA转换以后分成X轴和Y轴信号输出到示波器上进行频谱观察。信号处理款图如下：

一、低通滤波器
低通滤波器的作用是抗混叠，所谓混叠是指信号的最高频率超过1/2倍的采样频率时，部分频率成分互相交叠起来的现象，这是混叠的那部分频率成分的幅值就与原来情况不同，采用就造成了信息的损失，因此在采样前需要对输入信号做滤波，以去除输入信号中高于1/2倍采用频率的那部分频率成分，这种以防混叠的模拟滤波器有称为“抗混叠滤波器”。低通滤波器如下图：
二、增益调节电路
该电路又叫信号调理电路，没在AD转换器都有其输入的满肚电压，如果输入信号的幅度超过了这个范围，就会因为限幅而照成失真，而在满度电压的范围内，大信号转换精度高，小信号的转换精度低，因此，在AD转换前应先将信号输入至一个信号调理电路，使得输入AD转换器信号既不超过满度电压，又尽可能接近满度，提高转换精度。增益调节图如下:

三、AD转换器电路
本电路采用的是低功耗10位20MSPS模数转换器TLC876，在本模块中，将进过低通滤波器和信号增益电路的模信号转换成数字信号，电路原理图如下：
四DA转换器
电路原理图如下（X增益调节）：

Y增益调节：
ＤＡ转换电路是由ＡＤ7524和运放TLE2084构成双极性输出的ＤＡ转换电路，通过此电路将ＤＳＰ计算得到的数字信号转换为模拟信号，从ＤＳＰ计算处理得到的１６数据，其中高8位数据通过DA转换为X轴的信号从X-out输出，地8位的从Y-out输出。

5、实验方法步骤及注意事项
5.1 将信号源模块、终端模块小心地同定在主机箱中，确保电源接触良好。
5.2 插上电源线，扣开主机箱右侧的交流开关，再分别按F两个模块中的开关POWERI、 POWER2，对应的发光二极管LED01、LED02发光，按一下信号源模块的复位键，两个模块均开始工作。（注意，此处只足验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后扣升电源做实验，不要带电连线）。
5.3用连接线连接信号源模块中信号输出点“32KHZ正弦波”及频谱分析模块中“信号输入点”，调节输入增益调节点位器P02调节输入增益，使输入信号的“峰峰值测试点”为3V左右。
5.4 设置拨码开关SW01进行选择低通滤波器的通道，可拨为0010。
5.5 设置拨码开关SW02进行采样频率设置，这里可以设为0110.
5.6 示波器选择为X-Y模式，分别调节电位器“X增益调节”，“Y增益调节”，改变信号输出增益，使示波器上显示的波形清晰且幅度适中，即可进行观察。
5.7 关闭交流电源电源开关，取出选用任意可输出模拟信号的模块固定在主机箱上，将其输出的模拟信号送如频谱分析模块，选择正确的通道，观察输出波形。
注意事项：
① 输入单频率成分的模拟信号时，应选择大于输入信号频率的最低采样频率的通道，即输入频率为32Khz时，应选用112kHz通道，选择其他的实验结构可能不准确。
② 输入多频率成分的模拟信号时。应根据输入信号所包含的频率中的最高频率选择通道，即输入信号中包含2kHz，16kHz，32kHz等频率成分，则应选择大于最高采用频率成分中的最低频率的通道——112kHz。
③ 输入信号峰峰值不得超过4V。
④ 当没有信号显示或显示明显不正常时按下复位键K01进行复位。
⑤ 输入信号的最高频率不能高于1Mhz。
二．实验过程
1、实验现象及结果
① 按照步骤一的连接好实验实物，从信号源模块输出一个32K的正弦波峰峰值在3-4V左右。图如下：
拨码开关如下置：
波形如下：

示波器使用YT模式检测X-out测试点的波形如下：

示波器使用YT模式观察Y-out测试点的波形如下：

XY模式实物连接和测试波形：

课后总结及思考：
通过本实验对模拟信号频谱的观察和分析。加深了对傅里叶变换和信号频率特性的理解。并且掌握了频谱分析模块的使用方法。
熟悉了增益调节电路，AD转换电路，DA转换电路的一些工作原理。
教师评语及评分：

签名： 年 月 日

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