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基于DDS的频谱分析仪设计方案解析
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2017-11-03
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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。
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：
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。
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。
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：
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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