80MHz-100MHz頻譜分(fēn)析儀（E題）

                                          山東大學    邵英婕   丁峰   劉飛揚    指導教師：姜威、邊棟、陸小珊

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摘要：本設計給出了(le)基于TI公司MSP430F5529的頻譜分(fēn)析儀的基本原理(lǐ)與實現方案。其中，本振源由集成VCO的頻率合成器(qì)(ADF4351）及外部環路(lù)濾波器(qì)構成的鎖相環産生(shēng)，步進100kHz，可通過鍵盤控制自動掃描、手動掃描或預置在某一(yī)特定頻率，鎖定時間遠小于1ms。信号通過乘法器(qì)AD835混頻，經高頻(10MHz)窄帶陶瓷(100KHz)濾波器(qì)後用單片機内置AD采集，由串口液晶彩屏顯示出幅頻特性及其他要求參數。本系統基本要求均可達到，并具有成本較低(dī)、噪聲小、硬件電路(lù)可靠、穩定性高等特點。
 
關鍵詞：ADF4351   MSP430F5529   AD835   Usart彩色液晶顯示屏
 
Abstract: This design gives the basic principles based on TI's MSP430F5529 spectrum analyzer and implementation. Among them, the local oscillator by a phase-locked loop frequency synthesizer with integrated VCO (ADF4351) and external loop filter configured to generate stepping 100kHz, can be controlled by the keyboard automatically scan, manual scan or preset at a particular frequency, lock time of less than 1ms. Signal multiplier AD835 mixing, the high frequency (10MHz) narrowband (100KHz) filter with a microcontroller built after AD acquisition by serial LCD color screen shows the amplitude-frequency characteristics and other requirements parameters. The basic requirements can be met, and has a low cost, low noise, reliable hardware circuit, high stability
 
Keywords: ADF4351   MSP430F5529   AD835   Usart Color LCD
 

                              目         錄
1.方案選擇與論證... 2
1.1本振源設計方案... 2
1.2窄帶濾波器(qì)設計方案... 2
1.3頻譜分(fēn)析顯示設計方案... 2
1.4總體方案選擇... 3
2.理(lǐ)論分(fēn)析與計算(suàn)... 3
2.1鎖相環分(fēn)析計算(suàn)... 3
2.2環路(lù)濾波器(qì)的分(fēn)析計算(suàn)... 3
2.3混頻原理(lǐ)分(fēn)析計算(suàn)... 4
3.電路(lù)與程序設計... 5
3.1 電路(lù)設計... 5
3.2 程序設計... 6
4.測試方案與測試結果... 6
4.1測試儀器(qì)... 6
4.2測試方案及數據... 6
4.2.1       鎖相環測試... 6
4.2.2       本振源測試... 7
4.2.3       頻譜分(fēn)析儀測試... 7
5.總結... 8
6.參考文獻... 8
 
 1.方案選擇與論證

1.1本振源設計方案

方案一(yī)：使用分(fēn)立元件搭建鑒相器(qì)、環路(lù)濾波器(qì)、壓控振蕩器(qì)。其中，壓控振蕩器(qì)采用LC振蕩電路(lù)，利用變容二級管實現壓控。雖成本較低(dī)，但(dàn)是電路(lù)結構複雜、分(fēn)布參數難以控制、調試穩定性差。
方案二：采用集成好(hǎo)(hǎo)的鑒相器(qì)(BU2614）、壓控振蕩器(qì)（MC1648）芯片。BU2614内部主要由相位比較器(qì)PD、可編程分(fēn)頻器(qì)、參考分(fēn)頻器(qì)、高穩定晶體振蕩器(qì)及内部控制器(qì)組成。可通過單片機編程BU2614接收的信号頻率進行比較後輸出一(yī)個電壓值VD，該電壓值通過外部環路(lù)低(dī)通濾波後加在VCO上(shàng)，通過VD的不斷調整使VCO振蕩頻率鎖定在與單片機送入數據相對應的頻率上(shàng)，實現頻率鎖定。
方案三：采用集成鎖相環芯片ADF4351，其内部集成了(le)VCO，結合外部環路(lù)濾波器(qì)和外部參考頻率使用時，可實現小數N分(fēn)頻及整數N分(fēn)頻鎖相環(PLL)頻率合成器(qì)，且内部集成鎖定判斷引腳，電路(lù)簡單，穩定性高，。
綜合考慮，綜上(shàng)所述比較可知，方案三既可滿足題設基本要求又能(néng)充分(fēn)發揮擴展部分(fēn)，電路(lù)簡單容易實現，穩定性高，所以選擇方案三。

1.2窄帶濾波器(qì)設計方案

方案一(yī)：使用無源濾波。高階無源濾波理(lǐ)論上(shàng)可以達到設計要求，但(dàn)設計困難，且信号衰減較大。
方案二：使用有源濾波。雖無衰減，但(dàn)頻率較高，帶寬很窄，不易選擇合适的運放(fàng)實現此方案。
方案三：使用晶振選頻。使用10MHz晶振選擇出約爲100KHz帶寬，優點是選頻精确，但(dàn)石英晶振頻偏範圍較小，因此選用陶瓷晶振。
綜合考慮，采用10MHz陶瓷晶振選頻器(qì)。

1.3頻譜分(fēn)析顯示設計方案

方案一(yī)：采用TI公司的ADS830，采樣率可達60MSPS的高速AD采集混頻濾波後的數據，并用FPGA分(fēn)析處理(lǐ)采集到的數據， 利用FFT，即快(kuài)速傅氏變換進行頻譜分(fēn)析。此方法得到的數據量大較準确，且測得的精度高，但(dàn)成本高，算(suàn)法較複雜。
方案二：利用真有效值芯片，将信号轉化(huà)成有效值，并用MSP430内置AD端口采集處理(lǐ)顯示。但(dàn)常見芯片頻率較低(dī)，不能(néng)适用。
方案三：利用檢波電路(lù)，再使用單片機内置AD采集處理(lǐ)顯示。
考慮到上(shàng)一(yī)級信号輸出峰值較大，選用方案三，電路(lù)簡單可靠，并結合MSP430内置AD及Usart彩色液晶顯示屏來顯示信号幅值和頻率。

1.4總體方案選擇

本設計總體方案結構如(rú)圖1-1所示：

圖1-1 總體設計方案

2.理(lǐ)論分(fēn)析與計算(suàn)

2.1鎖相環分(fēn)析計算(suàn)

RFN分(fēn)頻器(qì)可以在PLL反饋路(lù)徑中提供一(yī)個分(fēn)頻比。分(fēn)頻比 由構成此分(fēn)頻器(qì)的INT、FRAC和MOD的值決定
利用INT、FRAC和MOD的值以及R分(fēn)頻器(qì)，可以産生(shēng)間隔爲PFD頻率的分(fēn)數的輸出頻率。下(xià)面的公式爲：
                              （2.1）
其中： RFout是RF頻率輸出；INT是整數分(fēn)頻系數；FRAC是小數分(fēn)頻的分(fēn)子(zǐ)(0至MOD − 1)。MOD是預設的小數模數(2至4095)。RFDivider是細分(fēn)VCO頻率的輸出分(fēn)頻器(qì)。
                                        （2.2）
其中：REFIN是參考頻率輸入；D是REFIN倍頻器(qì)位(0或1)；R是RF參考分(fēn)頻系數(1至1023)；T是參考2分(fēn)頻位(0或1)。

2.2環路(lù)濾波器(qì)的分(fēn)析計算(suàn)

在頻率合成器(qì)的設計過程中，環路(lù)濾波器(qì)的選擇和設計是必不可少的。環路(lù)濾波器(qì)可以濾除由鑒相器(qì)輸出的誤差電壓的高頻分(fēn)量和噪聲，且對環路(lù)參數調整起着決定性的作(zuò)用。環路(lù)濾波器(qì)由電阻、電容以及放(fàng)大器(qì)組成，可分(fēn)爲無源環路(lù)濾波 器(qì)和有源環路(lù)濾波器(qì)兩類。從鎖相環系統的角度，有源濾波器(qì)反而會引入更多的噪聲。無源環路(lù)濾波器(qì)中，三階濾波器(qì)能(néng)更好(hǎo)(hǎo)地濾除參考源的邊帶頻率，所以采用如(rú)下(xià)結構圖：