基于單片機的頻譜儀設計

唐弟 楊藝敏

摘要：頻譜儀以STM32F103單片機作為主控電路，包含程控衰減模塊HMC624，濾波模塊、混頻模塊ADL5801、固定增益放大模塊adl5611、檢波模塊ad8310，利用鎖相環(huán)芯片ADF4351生成系統掃頻信號發(fā)生器，輸出的信號頻率范圍為35MHz到400MHz以上。頻譜儀采用兩級混頻，然后通過檢波器對第二中頻信號進行模擬檢波，輸出直流信號給STM32的ADC腳進行采集并處理，此外由程控衰減進行參考電平的調節(jié)，最后通過TFT液晶屏顯示頻率和頻譜。該頻譜儀實現了實用頻譜儀的頻標設置、掃頻寬度、參考電平等功能。

關鍵詞：STM32；ADF4351adl5801；混頻

Design of Spectrometer

Abstract：The spectrum analyzer uses STM32F103 MCU as the main control circuit，including program-controlled attenuation module HMC624，filtering module，mixing module ADL5801，fixed gain amplification module adl5611，detection module ad8310.The system sweep signal generator is generated by using phase-locked loop chip ADF4351，and the output signal frequency range is over 35MHz to 400MHz.The spectrum analyzer uses two-stage mixing，and then simulates the second IF signal through the detector.The output DC signal is collected and processed by the ADC foot of STM32.In addition，the reference level is adjusted by programmable attenuation.Finally，the frequency and spectrum are displayed by TFT LCD screen.The spectrum analyzer realizes the functions of frequency standard setting，sweep width and reference electric equality of practical spectrum analyzer.

Key words：STM32； ADF4351； adl5801； mixing

引言

技術不斷發(fā)展，信號頻率越來越高、精度要求越來越高、工程作業(yè)環(huán)境越來越復雜等等挑戰(zhàn)不斷催促著頻譜儀更新換代。嵌入式ARM平臺已經普遍地應用于工程作業(yè)領域，因為其具有杰出的操控性和控制能力，低功率消耗，低制造成本。所以研發(fā)頻譜分析儀的一種熱門的發(fā)展趨勢勢必是采用嵌入式ARM平臺來開發(fā)設計。在目前技術和市場競爭等等形勢變化趨勢的基礎上，所以在當今依據國內頻譜分析儀技術理論，通過參照不同類型的頻譜分析儀的組成，結合ARM平臺和原理來設計和制造適合我國國情的的頻譜分析儀具有相當大的現實意義。

1頻譜分析儀的方案設計

1.1頻譜儀整體的主要性能指標

外差式頻譜儀重要參數有：可測量的頻率范圍，頻譜測量的頻率分辨率，能夠測量信號的垂直范圍，輸入靈敏度，鏡像抑制能力，還有頻譜儀固有的噪聲特性等。

1.2頻譜分析儀的整體結構設計

本設計的頻譜分析儀主要包括信號變換模塊、信號處理模塊及顯示模塊，其中信號變換模塊主要包括衰減器、固定增益放大器、掃頻信號源、混頻電路、濾波電路、模擬檢波電路等組成；信號處理模塊主要ARM處理器作為核心處理器，通過ADC檢測對數檢波后輸出的相應電平值，并將相關頻譜參數顯示在屏幕上，掃頻寬度、參考電平、掃頻時間等可使用相應按鍵來設定。整個系統分成若干部分，其功能逐一實現最后組合在一起調試直到成功。系統框圖如圖1所示：

2硬件電路設計

2.1輸入衰減電路硬件設計

HMC624ALP4E的NF（噪聲系數）值達到了2.2dB，衰減誤差為0.25dB，供電電壓為單電源3-5V，串行調節(jié)方式使用的管腳少，SPI串行控制由CLK（ 時鐘 ）、DATA（數據 ）、LE（ 使能）三線一起控制完成。

2.2鏡像抑制濾波電路設計

采用外差式原理設計的頻譜儀采用混頻變頻來進行頻率測量的，即將輸入信號變換到固定中頻然后進行測量。但會發(fā)現輸入信號高頻信號時，也可與LO（本振信號）混至設計的中頻頻率，所以這個高頻信號被稱為鏡像頻率。

這里采用的是九階低通濾波器，通帶頻率為450MHZ，帶內波動是0.05，同時，阻帶設計為500MHZ。通過濾波器的仿真設計軟件（filter solution）獲得濾波器參數。

2.3增益放大電路設計

放大電路使用低噪放可以降低整個系統系統的noise figure（噪聲系數），放大器的選擇是非常重要的。前端放大電路的選擇指標一般根據噪聲低噪聲系數，同時還要考慮放大器的工作頻率區(qū)間、帶內增益平坦度（幅頻特性曲線）、輸入輸出回損、PIdB（1dB 壓縮點）等，本次設計選擇的放大器采用的是ADI公司的固定增益放大器ADL5611，該芯片的工作頻率在30MHZ-6000MHZ，符合設計要求，。

2.4混頻電路設計

本系統的兩級混頻電路選擇的都是雙平衡有源混頻器adl5801，它的混頻損耗低，能夠實現10-6000MHZ的混頻，IF（中頻）輸出具有出色的LO（本振）和RF（射頻輸入）泄露抑制能力，能夠達到40dBm的效果，同時該芯片混頻的線性度高，同時具有較高的噪聲系數。

2.5中頻濾波器電路設計

本設計選用的是兩級混頻，為了抑制鏡像頻率，同時方便輸入濾波器以及掃頻信號源的設計，根據市場上高頻濾波器的值，將第一中頻信號頻率選擇為506MHZ，因為后級檢波采用的是模擬檢波，為獲得較快的，同時為了達到20KHZ的頻率分辨率，本設計將第二中頻設計在45MH，選擇帶寬較窄的晶體濾波器，以達到較高的頻率分辨率。

2.6檢波電路電路設計

中頻選擇的是模擬中頻方波通過對數檢波器實現檢波，這里選用的是ADI公司的ad8310，該芯片可以達到95dB的動態(tài)范圍，輸出電路與輸入信號功率變換曲線為24mv/dB，檢波響應時間低于15ns，檢波速度快，同時檢波范圍寬，線性度好，可以達到本設計的40dB的垂直分辨率。

2.7掃頻信號源設計

因為測試信號的頻率范圍為50MHZ-400MHZ，根據第一中頻的頻率為506MHZ，掃頻信號源的頻率范圍556-906MHZ

掃頻信號源一般選擇DDS（直接數字頻率合成）和pll（鎖相環(huán)），當頻率過大時，DDS實現難度較大，所以這里選擇了PLL作為本設計的掃頻信號源。結合掃頻速度、掃頻信號源的輸出頻率范圍、頻率分辨率等指標，這里選擇使用adf4351作為掃頻信號源。

2.7信號處理與控制模塊設計

本系統的主控芯片選擇的是集成Cortex-M4內核的st公司生產的stm32f429，該處理器能夠達到180MHZ主頻，內部集成了3路（每路八通道）12位AD，精度可以達到0.8mv（3300/4096），同時自帶了tft控制器，同時具有較高的浮點運算能力。因為該芯片自帶tft控制器，而且驅動時鐘頻率很快，可以達到很快的顯示速度，同時數據處理能力強，符合該設計的要求，所以選擇了該芯片。

3頻譜分析儀的的軟件設計

本系統選用stm32f4系列集成cortex-m4內核和tft控制器的stm32f429作為核心處理器。主要通過控制衰減器hmc624實現參考電平可調的功能，同時根據頻譜儀檢測的其實頻率和停止頻率來控制掃頻信號源的輸出頻率，以及頻率步進值，通過ad檢測模擬檢波器ad8310的輸出電壓來實現輸入信號的幅度檢測，并對應頻率的幅度值顯示在tft顯示屏上面。

4實驗結果

4.1本振輸出信號頻譜檢測

本振模塊采用ADF4351設計，讓鎖相環(huán)輸出固定頻率值，用頻譜儀觀察測量輸出信號頻譜，頻譜儀顯示頻譜如圖2：

4.2系統整機測試

由于輸入測量信號在30-450MHZ，所以需要射頻信號源，從輸入端接上射頻信號發(fā)生器，讓射頻信號源輸出信號頻率為420MHZ的AM信號，然后通過本次設計的頻譜儀測量并與實驗室的頻譜儀測試圖片進行對比，測試結果如圖3所示：

5總結

頻譜分析儀的設計與實現有著重要的意義，本次設計要求制作一個頻率測量范圍為50-400MHZ、垂直分辨率達到40dB的頻譜分析儀。根據系統要求，利用鎖相環(huán)芯片adf4351設計出了適合本系統的掃頻信號源，輸出頻率誤差幾khz，能夠達到本設計的要求，采用雙平衡混頻器adl5801實現了對輸入信號的頻率搬移，濾出到較低中頻，第一中頻使用506MHZ帶通濾波器實現了對輸入信號鏡像抑制，利用衰減器hmc624實現了參考電平可調節(jié)的功能，同時通過軟件根據輸入信號對應頻率最大設置了至少兩個mark點，基本上能達到滿意的結果。

參考文獻

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