2016年全国大学生电子设计竞赛（E题）80MHz-100MHz频谱分析仪

满座衣冠胜雪

摘要
本设计给出了基于TI公司MSP430F5529的频谱分析仪的基本原理与实现方案。其中，本振源由集成VCO的频率合成器(ADF4351）及外部环路滤波器构成的锁相环产生，步进100kHz，可通过键盘控制自动扫描、手动扫描或预置在某一特定频率，锁定时间远小于1ms。信号通过乘法器AD835混频，经高频(10MHz)窄带陶瓷(100KHz)滤波器后用单片机内置AD采集，由串口液晶彩屏显示出幅频特性及其他要求参数。本系统基本要求均可达到，并具有成本较低、噪声小、硬件电路可靠、稳定性高等特点。
关键词：ADF4351   MSP430F5529   AD835   Usart彩色液晶显示屏

1. 方案选择与论证
1.1本振源设计方案
方案一：使用分立元件搭建鉴相器、环路滤波器、压控振荡器。其中，压控振荡器采用LC振荡电路，利用变容二级管实现压控。虽成本较低，但是电路结构复杂、分布参数难以控制、调试稳定性差。
方案二：采用集成好的鉴相器(BU2614）、压控振荡器（MC1648）芯片。BU2614内部主要由相位比较器PD、可编程分频器、参考分频器、高稳定晶体振荡器及内部控制器组成。可通过单片机编程BU2614接收的信号频率进行比较后输出一个电压值VD，该电压值通过外部环路低通滤波后加在VCO上，通过VD的不断调整使VCO振荡频率锁定在与单片机送入数据相对应的频率上，实现频率锁定。
方案三：采用集成锁相环芯片ADF4351，其内部集成了VCO，结合外部环路滤波器和外部参考频率使用时，可实现小数N分频及整数N分频锁相环(PLL)频率合成器，且内部集成锁定判断引脚，电路简单，稳定性高，。
综合考虑，综上所述比较可知，方案三既可满足题设基本要求又能充分发挥扩展部分，电路简单容易实现，稳定性高，所以选择方案三。

1.2窄带滤波器设计方案
方案一：使用无源滤波。高阶无源滤波理论上可以达到设计要求，但设计困难，且信号衰减较大。
方案二：使用有源滤波。虽无衰减，但频率较高，带宽很窄，不易选择合适的运放实现此方案。
方案三：使用晶振选频。使用10MHz晶振选择出约为100KHz带宽，优点是选频精确，但石英晶振频偏范围较小，因此选用陶瓷晶振。
综合考虑，采用10MHz陶瓷晶振选频器。

1.3频谱分析显示设计方案
方案一：采用TI公司的ADS830，采样率可达60MSPS的高速AD采集混频滤波后的数据，并用FPGA分析处理采集到的数据， 利用FFT，即快速傅氏变换进行频谱分析。此方法得到的数据量大较准确，且测得的精度高，但成本高，算法较复杂。
方案二：利用真有效值芯片，将信号转化成有效值，并用MSP430内置AD端口采集处理显示。但常见芯片频率较低，不能适用。
方案三：利用检波电路，再使用单片机内置AD采集处理显示。
考虑到上一级信号输出峰值较大，选用方案三，电路简单可靠，并结合MSP430内置AD及Usart彩色液晶显示屏来显示信号幅值和频率。

1.4总体方案选择
本设计总体方案结构如图1-1所示：

图1-1 总体设计方案

2. 理论分析与计算
2.1锁相环分析计算
RFN分频器可以在PLL反馈路径中提供一个分频比。分频比 由构成此分频器的INT、FRAC和MOD的值决定
利用INT、FRAC和MOD的值以及R分频器，可以产生间隔为PFD频率的分数的输出频率。下面的公式为：

（2.1）
其中： RFout是RF频率输出；INT是整数分频系数；FRAC是小数分频的分子(0至MOD − 1)。MOD是预设的小数模数(2至4095)。RFDivider是细分VCO频率的输出分频器。

（2.2）
其中：REFIN是参考频率输入；D是REFIN倍频器位(0或1)；R是RF参考分频系数(1至1023)；T是参考2分频位(0或1)。

2.2环路滤波器的分析计算
在频率合成器的设计过程中，环路滤波器的选择和设计是必不可少的。环路滤波器可以滤除由鉴相器输出的误差电压的高频分量和噪声，且对环路参数调整起着决定性的作用。 环路滤波器由电阻、电容以及放大器组成，可分为无源环路滤波器和有源环路滤波器两类。从锁相环系统的角度，有源滤波器反而会引入更多的噪声。无源环路滤波器中，三阶滤波器能更好地滤除参考源的边带频率，所以采用如下结构图：

图2-2

三阶环路滤波器传递函数如下：
（2.3）

从环路宽带的定义中：
（2.4）
得到：

（2.5）

最后得：
（2.6）

其中C3可以自由的给定，但至少要小于C1/5。C2 取得较大有两个好处：一是给后面的 VCO 一定的输入电容，可使寄生影响减小；二是可以减小R3，使得热噪声减少。 在我们设计电路过程中，还根据计算及电路情况来调整环路滤波器各元件的参数值。经过测试最终选取：C1=2.7nF，C2=4nF，C3=680pF，R2=360Ω，R3=1KΩ。
2.3混频原理分析计算
设锁相环输入输出信号为：
（2.7）
（2.8）

进入混频器后输出为：
（2.9)
由于本振源输入频率为90M~110MHZ，信号源输入频率为80M~100MHZ，当滤波为中心频率为10M的窄带宽滤波器时，可滤掉分量的波，只通过分量的波，将本振源从90M~110MHZ扫频时即可得到信号源80M~100MHZ的频谱。

3. 电路与程序设计
3.1 电路设计
1.本振源整体电路图由ADF4351外围电路以及三阶低通环路滤波组成，如图3-1：

图3-1 本振源电路

2.混频滤波由AD835和10M陶瓷滤波器构成，如图3-2：

图3-2 混频滤波电路

3.峰值检波电路由高频肖特基二极管1N60和电容电阻构成，如图3-3：

图3-3 检波电路

3.2 程序设计
程序设计流程图如图3-4：

图3-4 程序设计框图

4. 测试方案与测试结果
4.1测试仪器
Suin TFG3916A信号源，Tektronix TDS3032示波器，Mastech M890C万用表
4.2测试方案及数据
4.2.1锁相环测试
锁定过程及锁定时间测试方法：从ADF4351的LD端口输出SMA接口，接示波器外部触发功能观测一段时间内输出变化，得到变化过程即可观测锁定过程及时间。
测试数据如下：

表1 锁定时间

图4-1 锁定时间

可以看出锁定时间远小于1ms。

4.2.2本振源测试
测试方法：利用单片机外接键盘，控制自动、手动或预置输出频率。利用示波器显示输出幅度及频率。
测试结果如表2：

表2 本振源输出数据

4.2.3频谱分析仪测试
测试方法：从信号发生器输入80-100MHz信号，观测频谱显示及频率显示。
测试结果如表3：

表3 频谱分析仪数据

显示界面如图4-2所示：

图4-2 显示界面

5. 总结
此设计实现了该题目的基本要求，本振源可以稳定产生100KHz步进的90-110MHz信号，键盘控制手动、自动扫描，并可产生预置特定频率。发挥部分也基本完成，与待测信号混频滤波后，可以较准确显示出80-100MHz信号的频谱分析以及杂散频率。另外本振源可较好实现频率为85-115MHz信号输出，即可频谱分析频率的范围扩大。
此频谱仪系统架构设计合理，功能电路实现良好，系统性能优良、稳定，噪声小，较好地达到了题目要求的各项指标。

dengxi

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