基于DDS的頻譜分析儀設(shè)計(jì)方案解析

　1 引言
　　直接數(shù)字頻率合成（DDS）是近幾年一種新型的頻率合成法，其具有頻率切換速度快，頻率分辨率高，以及便于集成等優(yōu)點(diǎn)。在此，設(shè)計(jì)了基于DDS的頻譜分析儀，該頻譜分析儀依據(jù)外差原理，被測信號與本征頻率混頻，實(shí)現(xiàn)信號的頻譜分析。
　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　圖1給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，主要由本機(jī)振蕩電路、混頻電路、放大檢波電路、頻譜輸出顯示電路等組成。通過單片機(jī)和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）共同控制AD985l，以產(chǎn)生正弦掃頻輸出信號，然后經(jīng)濾波、程控放大得到穩(wěn)定輸出，與經(jīng)放大處理的被測信號混頻，再經(jīng)放大、濾波、檢波后，由MAXl97采集，并送至單片機(jī)處理，最后由示波器顯示頻譜圖像和液晶顯示相關(guān)信息。
　　
　　振蕩電路采用DDS器件AD9851，只需少量的外圍器件即可構(gòu)成完整的信號源，且具有轉(zhuǎn)換速度快，分辨率高，換頻速度快，頻帶寬，控制方便，信號穩(wěn)定等特點(diǎn)。
　　混頻電路采用模擬乘法器集成器件AD835，其輸入的差分電壓不大于2 Vpp，一3 dB帶寬，250 MHz，外圍電路簡單，且調(diào)試方便。但缺點(diǎn)是輸出偏置電壓較高，其典型值為±25 mV，故后級需加隔直電路。
　　濾波電路采用專用濾波器MAX274，其優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)。外圍電路簡單，便于設(shè)定濾波器的中心頻率、增益、截止頻率及帶寬，并能根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)不同類型、不同階數(shù)的濾波器。由于混頻電路分上下混頻，若采用上混頻，則需高頻窄帶濾波器，這很難實(shí)現(xiàn)。因此這里采用下混頻，只需設(shè)置一個中頻窄帶濾波器即可。
　　檢波采用集成真有效值變換器件AD637，其測量信號有效值高達(dá)7 V，精度為0．5％，且外圍電路簡單，頻帶寬。
　　3 理論分析與計(jì)算
　　3．1 帶通濾波器中心頻率選擇
　　從頻譜分辨率的角度看．中頻帶通濾波器的通帶寬度越小越好，但因其輸入為掃頻信號，為了保證輸出具有一定強(qiáng)度，窄帶寬就要求低掃頻速率，而低掃頻速率在大范圍掃頻時就需較長的掃頻時間，從而影響儀器的數(shù)據(jù)輸出率。按照要求分率為1 kHz。所以選定窄帶濾波器的帶寬為500 Hz，中心頻率約100 kHz，但考慮到采用MAX274設(shè)計(jì)濾波器的難度，將中心頻率調(diào)至70 kHz。
　　3．2 波形識別與中心頻率判斷
　　等幅波形頻率比較單一，其頻譜也較簡單，只有一條頻譜線。如果調(diào)制信號為單音余弦波f（t）=cos（ωt），則AM調(diào)幅波的表達(dá)式為：
　　
　　式中：ma為調(diào)制指數(shù)；VCM為載波振幅。
　　單音調(diào)頻信號的頻譜相對復(fù)雜，可設(shè)調(diào)制信號頻率為fΩ；調(diào)制頻偏為△f，則信號帶寬近似為2△f；譜線間間隔為調(diào)制信號頻率fΩ，而各個譜線的高度則由貝塞爾函數(shù)得到。△f反映調(diào)頻波所占帶寬，△f越大，占用的帶寬也越大，但每根譜線的間隔是不變的。
　　由圖2可知，fΩ影響每根譜線之間的間隔，fΩ越小，頻譜線的間隔也越小，頻譜看起來越緊密；fΩ越大，頻譜線間隔越大，頻譜看起來則越稀松。但頻譜占用帶寬是不變的。