急求基于51簡易頻譜儀程序

ID:130299 · 發表于 2016-7-13 14:59

摘要
本系統采用STC89C51為主控器件，采用鎖相環頻率合成芯片ADF4110、三階RC低通濾波器和壓控振蕩芯片MAX2606實現穩定的本振源，產生本征頻率在90MHz～110MHz的恒定正弦信號；采用乘法器AD835實現對輸出信號幅度的調整；同樣采用AD835實現被測信號與本征信號的混頻，經過低通濾波得到混頻后的低頻量由單片機上的ADC進行采樣，能在80MHz～100MHz頻段內掃描并顯示信號頻譜和主信號頻率，并且夠測量全頻段內部分雜散頻率的個數。經測試，本系統實現了題目要求的全部功能，且人機交互友好。

關鍵詞：鎖相環；ADF4110；頻譜儀；

一、方案論證
（一）方案比較與選擇
1.基于鎖相環的本振源
方案一：采用MC145152+MC12022+MC1648L構成的鎖相環電路
MC145152芯片是摩托羅拉公司生產的鎖相環頻率合成器專用芯片，需要配合前置分頻器MC12022和壓控振蕩器MC1648及環路濾波器共同組成穩定的鎖相環頻率合成電路，最高可以達到225MHZ的輸出。
方案二：采用ADF4110+MAX2606構成的鎖相環路。
ADF4110芯片是ADI公司生產的內部集成了數字鑒頻鑒相器和編程預分頻器的PLL芯片，其最高工作頻率可達550MHz,集成度高，只需外接一個環路濾波器和VCO即可完成一個完整的鎖相環系統，VCO選擇MAX2606，輸出頻率為70-150MHz，滿足題目要求。
方案選擇：方案一外圍電路更為復雜，增大了調試難度；方案二中電路集成度高，而且所有參數都通過三線接口實時配置調整，芯片體積，消耗功率都更小。綜合考慮，選擇方案二。
2.混頻電路
方案一：三極管混頻電路。利用三極管的非線性特性，本征信號和被測信號通過三極管混頻電路產生不同組合的頻率分量，再通過LC中頻帶通濾波實現混頻
方案二：采用模擬乘法器AD835。其基本功能是實現W=XY+Z，該乘法器芯片可以實現250MHz 范圍內信號的混頻。將本振信號和輸入信號相乘得到二者頻率的和差信號，達到混頻的效果
方案選擇：由于方案億中用到了分立元件三極管，電路中容易產生非線性失真，同時，相對于數字電路來說，該電路性能也不是很穩定。方案二外圍電路簡單，調試方便，而且電路性能要優于采用三極管實現的混頻器電路，因此，采用方案二實現混頻。
（二）系統方案描述
系統框圖如圖1所示。該系統由基于鎖相環的本振源、混頻器、低通濾波器，頻譜測量幾部分組成。由PLL芯片ADF4110，VCO芯片MAX2606等組成的鎖相環頻率合成器產生本振信號，經過乘法器實現幅度可調后輸出80~110Mhz ,幅度在10~100mV的信號。在本振信號輸出后加一級10倍的固定增益放大電路，放大后的本振信號和信號源產生的被測信號經過乘法器混頻后，再經過低通濾波器濾除高頻分量，單片機AD采樣經過LPF的信號后根據幅值大小將信號頻譜及中心頻率顯示在屏幕上。

圖1 系統方案框圖
二、理論分析與計算
（一）系統原理
1.鎖相環頻率合成原理
鎖相環式數字頻率合成信號的原理如圖2框圖所示：

圖2鎖相環式數字頻率原理
設晶振輸出頻率為fr,要求的頻率分辨率為△f。
由                            fo=
則                △f=fo(n+1)-fo(n)= -=
   fmin <fo <fmax    Nmin<N<Nmax
即通過單片機改寫寄存器的數據值，來改變分頻系數即可得到不同的輸出頻率值。
2.頻譜測量原理
設信號源輸出的待測信號為：
V1=Acos(w1t)
本振源產生的本征信號為：
V2=Kcos(w2t)
經過乘法器后：
V3=Acos(w1t)* Kcos(w2t)=AK[cos(w1-w2)t+cos(w1+w2)t]
經過LPF后，濾除了頻率為w1+w2的高頻分量，只得到w1-w2的低頻量：
                  V4=AKcos(w1-w2)t
當w1=w2時，V4為直流量且幅度最大為AK，此時的頻率w2即為被測信號的頻率，待測信號源電壓幅度為，因此為了能達到直流采樣的設計，我們將本振源的頻率輸出范圍做成80~110 MHz，提高了題目的頻率要求。
(二)濾波器設計
1.鎖相環內低通濾波器
由于ADF4110中已經集成了大部分的模塊，因此只需要設計鑒相器與壓控振蕩器之間的環路濾波器和VCO就可以完成整個鎖相環電路的設計。環路濾波器采用三階無源低通濾波器。這樣的結構可以提高環路濾波器的穩定性，同時也可以濾除壓控振蕩器直流控制電壓帶來的紋波噪聲，并且進一步減少雜散。 2R3C結構的三階無源濾波器的傳遞函數通過傅里葉變換可以用以下公式來表示：
   Z（s）==
上式中A0=C1+C2+C3，A1=C2C3R1+C1C2R1+C1C3R2+C2C2R2，A3=C1C2R1C3R2，s=jw。另外環路帶寬w和相位裕度φc(w)(單位為deg)之間有以下關系:
      φc(w)=arctan(wR1C2)arctan(tan-1(wR2C3)+180
本設計中要求頻率間隔 △f=100KHz，因此濾波器的環路帶寬為～的 △f，這里取為 10 KHz，相位裕度為45 deg。因此，經過一系列推導可以得到該濾波器的元件C1，C2，C3，R1，R2的近似值分別為：C1=2.36nF，C2=32.1nF，C3=1.07nF，R1=1.39k，R2=2.84k。
2.AD采樣前低通濾波器設計
由理論分析可知，經過乘法器后輸出的信號為頻率為w1+w2的高頻信號和w1-w2的低頻信號，除了想要采樣的直流信號外，最小的信號頻率為100kHz。本設計中采用二階RC低通濾波器。選擇10kHz的截止頻率，取R1=R2=1KΩ，C1=C2，根據二階RC濾波器的傳遞函數計算得C1=C2=5.9nPF。在截止頻率外，高頻信號以—40dB/十倍頻下降，很快被抑制。
（三）本振源輸出幅度可調電路設計
題目要求本振源輸出電壓幅度在10~100mV內可調，實際調測中直接從壓控振蕩器輸出的信號在50mV左右，因此需要設計一個增益可調的放大電路。選擇乘法器AD835作為調整增益的器件，其250MHz帶寬完全滿足題目要求，將其X2,Y2,Z管腳接地后，乘法器輸出變為：
W=X×Y
通過控制輸入乘法器的直流電平即可控制電壓增益。
（四）觀察鎖定過程的電路設計
觀察鎖定過程有以下2種電路：
1.檢測鑒相器輸出：鑒相器通過比較兩信號相位通過內部電荷泵輸出控制電流，經過環路濾波器轉化為電壓控制壓控振蕩器。觀察鎖定過程時可檢測環路濾波器輸出電壓，電壓變化說明PLL處于失鎖狀態，電壓固定說明PLL處于鎖定狀態。
2.ADF4110的MUXOUT管腳具有鎖相觀察功能，當該管腳的模式切為數字鎖定時，在失鎖時，MUXOUT輸出低電平，而環路處于鎖定狀態時，管腳輸出高電平。因此我們在MUXOUT輸出端接一發光二極管，當失鎖→鎖定過程中，二極管不亮，環路鎖定后，二極管發光。
三、電路與程序設計
（一）電路設計
1.基于鎖相環的本振源電路設計
根據題目我們選擇內部集成了數字鑒頻鑒相器和編程預分頻器的PLL芯片ADF4110，只需外接VCO和環路濾波器即可完成一個穩定的鎖相環電路。外部VCO采用MAX2606，環路濾波器采用上述計算的三階無源RC濾波器。根據各自數據手冊推薦的典型電路，設計了如下的圖4電路：

圖3 鎖相環頻率合成電路電路圖
2.混頻及采樣電路設計
本振源輸出的信號幅度只有100mV,兩路信號混頻后幅度會進一步減小.為了提高采樣的精度，本振源輸出后使用集成運放AD8009實現了10倍的固定增益放大。同時為了提高采樣的穩定，在濾波器輸出后加了一級由放大器OP07構成的電壓跟隨器。

圖4 混頻及采樣電路
(二)程序設計

圖5 軟件部分程序框圖
四、測試方案與測試結果
(一)基本要求
1.本振源的頻率范圍及步進測試
通過單片機改變鎖相環內分頻系數，用示波器觀察本振源輸出信號頻率的最大頻率和最小頻率。然后控制輸出頻率從90MHz每次步進100KHz至110MHz，觀察示波器輸出波形頻率是否滿足頻率要求。部分測量結果如下表測試：
設置頻率/MHz 輸出頻率/MHz 設置頻率/MHz 輸出頻率/MHz
80    80.000    90.1    90.101
85 85.000 90.2 90.200
92 92.000 90.3 90.300
100    100.00 100.1    100.10
102    102.00 100.2    100.20
105    105.00 109.8    109.80
113    113.00 109.9    109.90
最大頻率 113MHz 最小頻率 80MHz
表一本振源的頻率范圍及步進測試
結果分析：本振信號頻率范圍可達到90MHz-110MHz，步進精度滿足100KHz的要求。
2.輸出電壓幅度測試
調節AD835控制電壓值，觀察90至110MHz整個頻段內各頻點的電壓幅度范圍。
測量結果：90至110MHz頻段內的輸出電壓幅度最大值可到120mV，最小值可到9mV，且波形良好滿足題目10-100mV的幅度可調要求。當輸出為100MHz，110mV時的信號示波器顯示如下圖所示：

圖6 示波器顯示輸出為100MHz，110mV的信號
3.掃描顯示測試：
程序內部改變掃描時間、掃描模式以及掃描初始頻率，觀測示波器顯示的掃頻情況。
測量結果：掃描時間可在1至5s內設置，且掃描時間準確。手動自動模式可通過按鍵切換，掃描初始頻率可在90MHz至110MHz內任意設置。
4.鎖定時間的測定：
利用單片機控制選擇掃頻功能，則系統就會進入不斷的失鎖和鎖定狀態。當失鎖時，muxout端口輸出低電平；當鎖定時，muxout端口輸出高電平。用示波器觀測muxout端口，可觀測到許多負脈沖，多次測量其寬度對應的時間求平均值，即可得到鎖定時間。經20次測量計算，鎖定時間平均值為93μs。
(二)發揮部分頻譜分析儀相關測試
1.測量范圍：
經過實際測量，可以利用基礎部分的鎖相環本振源完成簡單的頻譜分析功能頻率測量范圍可達到86至100MHz.實際測量顯示頻譜如下圖所示：

圖7 實際測量顯示的頻譜圖
2.分辨率：
利用濾波器后預留的測試端子測試。用信號源給定信號頻率，利用單片機改變PLL輸出頻率，使其與信號源相同，可觀察到測試端子信號最大，改變頻率均可觀察到明顯減小；信號源改變100KHz，同時控制單片機相同改變100KHz，可觀察到與上述相同的現象，即分辨率能達到題目100KHz的要求。
3.頻譜圖：
單片機控制屏幕能顯示測量單個信號時的頻譜圖像，以及顯示此時測量的信號頻率。基本完成了發揮部分的各個要求。