基于DDS技术提高频谱仪的频率分辨率
直接数字频率合成器DDS精度提高方法研究
第22卷第3期Vol.22,No.3滨州学院学报Journal of Binzhou U niversity 2006年6月J un.,2006直接数字频率合成器(DDS )精度提高方法研究收稿日期:20051226基金项目:山东省信息产业厅资助项目(2005R00012)第一作者简介:李建磊(1975—),男,山东惠民人,助理实验师,从事嵌入式系统、分布式计算研究.李建磊,马 震,庄 波,吕凤杰(滨州学院计算机科学技术系,山东滨州256603) 摘要:讨论了直接数字频率合成器(DDS )的工作原理,并根据正弦波的特点对ROM 进行优化.优化的ROM 在Flex10k10的FP GA 芯片上实现,对实验结果进行比较和分析发展,该方案可以有效地改进DDS 的精度. 关键词:数字频率合成器;精度;FP GA 中图分类号:TN 741 文献标识码:A 文章编号:16732618(2006)030043040 引 言 频率合成技术是指利用频率合成的方法,使某一(或多个)基准频率,通过一定的变换和处理后,形成一系列等间隔的离散频率[1].频率合成常用的方法包括直接式频率合成技术、间接式频率合成技术(锁相频率合成技术)以及目前最为典型、应用最广泛的直接数字频率合成器(DDS :Direct Digit 2al Synt hesizer ).与传统的频率合成器相比,DDS 具有低成本、低功耗、高分辨率和转换快速等优点被广泛用于电信和电子仪器领域,是实现设备全数字化的一个关键技术.但与其它数字信号处理器件一样,DDS 也存在精度的问题,而在一些精确的数字通信过程中,特别是在雷达通信中,精度是至关重要的[2].如何提高DDS 的精度是近年来研究的热点问题.根据正弦函数的特点,对ROM 的存储单元进行合理配置,提高计算精度,并对改进效果进行了讨论.1 DDS 原理直接数字频率合成器是从相位概念出发直接合成所需波形的一项频率合成技术.一个直接频率合成器由相位累加器、加法器、波形存储ROM 、D/A 转换器和低通滤波器(L PF )构成[3].其结构图如图1所示:图1 DDS 结构图在直接数字频率合成器中,需要输入的控制参数是频率控制字和相位控制字,分别控制频率和相位.44滨州学院学报第22卷频率控制字作为累加器的输入,每经过一个时钟周期,累加器的输出就增加一个频率控制字,然后再反馈到累加器的输入端.这个累加器的输出输入到加法器,与相位控制字进行一次加法运算,也就是进行一次相移,从而完成相位控制.而相位对应ROM中的一个地址,通过这个地址可以得到当前的数字信号值.最后,信号序列经过D/A和低通滤波器就可以得到模拟信号.下面分别对数字频率合成器中两个重要的模块作一介绍.1.1 累加器累加器由一个N位加法器和一个N位寄存器构成,它在时钟的作用下进行相位累加,这也是DDS的一个基本特征———基于相位概念.累加器的输出可以直接转换为ROM的地址,通过这个地址就可以直接获得数字波形值.相位控制字决定了ROM地址的一个整体偏移,表现在波形的变化上就是一个相移;而频率控制字则是决定了在ROM中地址的增加步长,它的大小直接决定了输出波形的频率.频率控制字和输出波形频率之间的关系可以通过下面的一个线性关系表示:f0=f c×k/2N.从上式可以看出,输出频率f0与基准时钟频率f c成正比,式子中的N就是ROM地址的位数.另外,输出频率与2N是反比关系,N越大则DDS的输出频率越低.1.2 波形存储ROM上面提到ROM是输入累加器的输出数据,进行波形的相位-幅度转换.N位的寻址ROM相当于把0～2π的正弦信号离散成具有2N个样值的序列,若波形ROM有D位数据位,则个样值的幅度以D位二进制数值固化在ROM中,按照地址的不同而输出相应相位的正弦信号的幅度值.2 DDS的精度改进方案从DDS的原理可以看出,ROM地址位数N的多少决定了ROM的精度,而ROM的精度又直接决定了DDS的输出精度.可见,如果N足够大就可以得到很细的频率间隔,也将大大提高DDS的整体精度,但是,如果N太大,则需要更多的ROM存储单元,这就会导致DDS的成本增加.下面对如何利用正弦波形的特点对ROM进行优化配置在不增加成本的条件下增加DDS的精度作一分析.2.1 正弦波特点已知正弦波具有对称性,存在下面的关系sin(α+π)=-sinα,sin(π-α)=sinα.可见,在[π/2,π]、[π,3π/2]、[3π/2,2π]三个区间的波形值都可以通过[0～π/2]区间的波形值转化得到.2.2 ROM优化方案从上面对正弦波形特点的分析可以得出,只存储[0,π/2]区间内的波形就可得到完整的波形.这样,N 位的寻址ROM就不是存储的[0,2π]的2N个正弦信号离散样值序列,而是存储的[0,π/2]的2N个正弦信号离散样值序列,有效的利用了ROM存储空间,提高了存储效率,也相应的提高了DDS的输出精度.ROM优化具体算法如下:IF相位属于[0,π/2]sinα=sinα;EL SIF相位属于[π/2,π]sinα=sin(π-α);EL SIF相位属于[π,3π/2]sinα=-sin(α-π);EL SE第3期李建磊,等 直接数字频率合成器(DDS )精度提高方法研究sin (α)=-sin (2π-α);END2.3 优化算法V HDL 实现在改进后的算法中,数据的位数为8位,存放了[0,π/2]的波形数据.而要把10位地址转换为ROM 中的8位地址,可通过10位数据的高两位来控制是否对低8位地址和数据进行取反运算来实现.以下是算法的V HDL 实现代码:L IBRAR Y IEEE ;U SE IEEE.STD_LO GIC_1164.ALL ;U SE IEEE.STD_LO GIC_UNSIGN ED.ALL ;EN TIT Y xorvh ISPOR T (inA :IN STD_LO GIC ;inB :IN STD_LO GIC_V EC TOR (7DOWN TO 0);q :OU T STD_LO GIC_V EC TOR (7DOWN TO 0));END xorvh ;A RCH ITEC TU RE behave O F xorvh ISSIGNAL temp :STD_LO GIC_V EC TOR (7DOWN TO 0);B EGINIF inA =’1’T H ENtemp <=NO T inB ;END IF ;q <=temp ;END behave ;3 验证数据采用Altera 公司Flex10k10的FP GA 芯片实现DDS [4],在此芯片中内嵌ROM ,可以配置成256×8的存储单元.首先采用未改进的DDS 存储方案,把整个周期波形保存为256个值;然后,采用改进方案把1/4个周期的波形保存在256个存储单元;最后对二者进行比较.3.1 波形比较两种方案得到的波形如图2所示:图2 改进前后方案波形比较从图2可以看出,在0.19π～0.29π之间,未改进的方案用25个样点来表示,而改进方案用100个样点来表示,减少了由于数字信号良好所导致的量化误差,提高了DDS 输出波形的精度.3.2 频谱比较从图3可以看出,改进前的方案在主频率附近有较大泄漏,从而导致主频率分量的能量减少,大约为180;而改进后这一问题得到了很好的解决,几乎没有泄漏,能量集中在主频率处,约为230.54滨州学院学报第22卷4 结 论利用正弦函数的对称性,对ROM 存储单元进行优化分配,从而有效地提高了ROM存储单元的利用图3改进前后频谱比较效率.使用Flex10k10芯片实现DDS 并对输出信号的波形和频谱进行比较和分析发现,该方案可以有效的改进DDS 的精度.参 考 文 献:[1]邓勇,周铎.数字电路设计完全手册[M ].国防工业出版社,2004.[2]费元春,苏广川,米红,等.宽带雷达信号产生技术[M ].北京:国防工业出版社,2002.[3] SCHN EIER B.Applied Cryptograp hy Protocals ,algorit hms ,and source code in C [M ].2nd ed.U SA :John Wiley &Sons Inc ,1996.[4]褚振勇,翁木云.FP GA 设计及应用[M ].西安:西安电子科技大学出版社,2002.R esearch on The Method of DDS πs PrecisionL I Jian Οlei ,MA Zhen ,ZHUAN G Bo ,LV Feng Οjie(Dep artment of Com p uter S cience and Technolog y ,B i nz hou U ni versit y ,B i nz hou 256603,Chi na )Abstract :This paper has discussed t he principle of Direct Digital Frequency Synt hesizer (DDS )and researched on t he met hod of optimizing ROM by t he characteristics of sine wave.The met hod has been implemented in FP GA chip (type Flex10k10),and t he experimental result s has been compared and ana 2lyzed.K ey w ord :DDS ;precision ;FP GA(责任编辑:余艳玲)64。
基于DDS技术的信号源设计_李雪梅
0引言 直接数字频率合成（ 简 称 DDS） 是 由 J. Tierney ，
C. M. Rader 和 B. Gold 于 1971 年提出的，是一种基于 全数字技术，从相位概念出发直接合成所需要波形的 频率合成技术[1]。 近年来，随着微电子技术和器件工艺 水平的提高，DDS 技术得到了飞速地发展， 它的工作 频率范围、频率转换速度、相位连续性、正交输出、频 率分辨力等一系列性能，已经超过了传统的频率合成 技术的水平，在各种电子应用技术、电子对抗技术及 各种现代电子测量仪器中都已获得了广泛的应用。 本 文采用 DDS 芯片 AD9850 与单片机 CY7C68013 相结 合的方法， 利用 CY7C68013 进行控制 AD9850 的输 出频率，产生频率可调的电力载波测试信号。 1 DDS 技术的基本原理
基于dds技术的信号发生器的设计与实现
文章标题：基于S技术的信号发生器的设计与实现一、引言在电子通信和信号处理领域，信号发生器是一种常见的设备，用于产生各种类型的信号波形，包括正弦波、方波、三角波等。
基于直接数字合成（S）技术的信号发生器在现代电子设备中越来越受到重视，因为它具有频率稳定性高、频率分辨率高、频率和相位调制灵活等优点。
本文将围绕基于S技术的信号发生器的设计和实现展开讨论。
二、S技术的基本原理S技术是一种通过数字方式直接合成信号的技术，其基本原理是利用数字信号处理器（DSP）生成离散时间信号序列，再通过数模转换器将其转换为模拟信号输出。
S技术的核心在于其通过累加相位增量的方式来实现信号的频率合成，因此频率分辨率高，相位调制灵活，并且可以实现快速切换频率和相位。
三、基于S技术的信号发生器的硬件设计1. 时钟模块：基于S技术的信号发生器的时钟模块需要具有极高的稳定性和精度，以确保合成信号的频率稳定性和精度。
2. 数字信号处理模块：数字信号处理模块是实现基于S技术的信号发生器的关键，它需要具有高速的计算能力和精确的相位累加器，以实现频率和相位的精确合成。
3. 数模转换模块：数模转换模块将数字信号处理模块生成的数字信号转换为模拟信号输出，需要具有高精度和低失真的特性。
四、基于S技术的信号发生器的软件设计1. 频率和相位控制算法：基于S技术的信号发生器的软件设计需要包括频率和相位控制算法，以实现对合成信号频率和相位的灵活调节。
2. 用户界面设计：为了方便用户操作和监控合成信号的参数，基于S技术的信号发生器的软件设计还需要包括用户界面设计，以实现对信号发生器的参数设置和监控。
五、基于S技术的信号发生器的实现基于S技术的信号发生器的实现需要在硬件和软件两方面充分考虑，确保其在频率稳定性、频率分辨率和相位调制灵活性等方面具有优秀的性能。
在实际应用中还需要考虑其输出功率、谐波失真等参数，以满足不同场景的需求。
六、个人观点与展望基于S技术的信号发生器在现代电子领域中具有广泛的应用前景，其高稳定性、高频率分辨率和灵活的相位调制特性，使其在通信、雷达、医疗等领域都有着重要的地位。
关于DDS技术的高精度频率综合器
关于DDS技术的高精度频率综合器频率源是雷达、通信、电子对抗与电子系统实现高性能指标的关键，很多现代电子设备和系统的功能都直接依赖于所用频率源的性能，因此频率源被人们喻为众多电子系统的"心脏"。
而当今高性能的频率源均通过频率合成技术来实现。
传统的频率合成器有直接频率合成器和锁相环两种。
直接频率合成方法具有频率转换时间短、近载频相位噪声性能好等优点，但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。
锁相环式频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需频率的信号，抑制杂散分量，并且避免了大量的滤波器，有利于集成化和小型化。
但由于锁相环本身是1个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。
除此之外，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率和相位都很难控制。
一：直接数字式频率合成（DirectDigitalFrequencySynthesis，简称DDS或DDFS）是近年来发展起来的1种新的频率合成技术。
它将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域，标志着第三代频率合成技术的出现。
其主要优点是相对带宽很宽、频率转换时间极短（可小于20ns）、频率分辨率很高（典型值为0.001Hz）、全数字化结构便于集成、输出相位连续、频率、相位和幅度均可实现程控。
因此，能够与计算机紧密结合在一起，充分发挥软件的作用。
DDS技术的实现完全是高速数字电路D/A变换器集合的产物。
由于集成电路速度的限制，目前DDS的上限频率还不能做得很高。
但GaAs（砷化镓）材料在集成电路中的应用，使得DDS上限频率不够高的缺陷正在不断地被克服。
作为应用，现在已有DDS产品用于接收机本振、信号发生器、通信系统、雷达系统等，特别是跳频通信系统。
在上世纪中期对于传统的模拟电路而言这几乎是很难实现的，因为三者之间存在无法克服的矛盾。
基于DDS的高分辨率信号发生器的实现
摘要：在介绍直接数字频率合成（DDS）技术基本原理的基础上设计一种信号发生器。
通过介绍整个电路的工作原理，提出了一种改进信号发生器输出分辨率的方法，经过分析说明了这种方法是可行的。
关键词：DDS；信号发生器；分辨率；波形1引言信号源作为一种基本电子设备无论是在教学、科研还是在部队技术保障中，都有着广泛的使用。
信号源作为一种通用电子测试仪器是我军进行高科技战争不可缺少的一种测试仪器。
因此，从理论到工程对信号的发生进行深入研究，不论是从教学科研角度，还是从部队技术保障服务角度出发都有着积极的意义。
随着科学技术的发展和测量技术的进步，对信号源的要求越来越高，普通的信号发生器已无法满足目前日益发展的数字技术领域科研和教学的需要。
DDS技术是一种新兴的频率合成技术，他具有频率分辨率极高、频率切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化易于集成、体积小、重量轻等优点。
根据DDS的特点将其应用于信号源中可以大大提高信号源的分辨率，而且可以有效的降低成本、缩小体积。
2DDS的原理如图1所示，将要产生的波形数据存入波形存储器中，然后在参考脉冲的作用下，对输入的频率数据进行累加，并将累加器输出的一部分作为读取波形存储器的地址，将读出的波形数据经D/A转换为相应的电压信号，D/A转换器输出的一系列的阶梯电压信号经低通滤波器波后便输出了光滑的合成波形的信号。
DDS的输出信号的频率为：其中：fout为信号合成频率；fclk为参考时钟频率；ΔPhase为频率设置数据，也称为频率控制字N为相位累加器的位数。
DDS的频率分辨率即最低频率为：所以只要N足够大，DDS可以得到很小的频率间隔。
要改变DDS的输出信号的频率，只要改变ΔPhase即可。
根据奈奎斯特抽样定理，DDS的最大频率为：3系统组成及工作原理3.1波形发生器的主要技术指标标准波输出：正弦波、方波、三角波、正锯齿波和梯形波。
任意波输出：1×4 096点（抽样）。
基于DDS的高精度方波信号发生器的研究(测试计量技术及仪器专业优秀论文)
频率合成电路的印制电路板如图４．８所示：
图４．８频率合成电路的印制电路板图
４．５低通滤波器的设计
在本系统中要求滤波器的衰减特性要陡直，延迟时间要短，因此设计的低通滤波器的阶数为７阶，截止频率为１２０ＭＨｚ，对高频信号滤波后输出信号特性好。
４．５．１低通滤波器的选择
一般用一个可实现的衰减特性来逼近理想特性，且使衰减的变化处在所规定的容限之内，根据不同的逼近原则、不同的衰减特性，选择不同响应的滤波器。
低通滤波器【ｌ６】的频率响应主要有三种：巴特沃斯滤波器（最平坦响应滤波器）、契比雪夫滤波器、椭圆函数滤波器。
巴特沃斯滤波器的响应最为平坦。
它的通带内没有波纹，在靠近零频处，有最平坦通带，趋向阻带时衰减单调增大，缺点是从通带到阻带的过渡带最宽，对于带外干扰信号的衰减作用最弱，过渡带不够陡峭。
契比雪夫滤波器在通带内衰减在零值和一个上限值之间做等起伏变化，阻带内衰减单调增大，带内有起伏，但过渡带比较陡峭。
椭圆函数滤波器不仅通带内有起伏，阻带内也有起伏，而且过渡带陡峭。
比较起来，椭圆函数滤波器性能更好。
几种典型低通滤波器的频率响应分别如图４．９所示［１７１：。
基于DDS技术的可调高精度信号源设计
基于DDS 技术的可调高精度信号源设计罗嗣乔何春晖（91245部队，辽宁葫芦岛125000）1概述频率转换器和码同步器是测量控制装备的重要组成部分。
逐赫兹可调的高精度信号源是它们工作和测试的必要条件。
目前主要使用的压控振荡器(VCO )产生频率可调的信号源产生的信号温度漂移现象比较明显，而且用电位器调整电压进行逐赫兹频率输出时精度低，误差大，使用很不方便。
本文提出了一种基于DDS 直接数字频率合成的方法，用键盘输入频率，并以液晶模块显示频率，使用8096单片机控制DDS 频率合成器，既可产生正弦波，也可以通过频率合成器自带的比较器输出方波，具有频率精度高，大跨度跳频时频率稳定快，频率调整方便快捷等优点，该信号发生器系统整体框图如图1所示。
2DDS 频率合成器的电路设计DDS(Direct Digital Synthesis)频率合成器是构成整个系统的关键部件，本系统采用的是美国AD 公司的AD9850频率合成器。
AD9850是一片完整的DDS 频率合成器芯片，采用CM OS 工艺，可以工作在125MHz 。
AD9850片内有10bit 的D ／A 转换器和高速电压比较器，可以输出正弦波或方波。
使用时根据用户的需求，选择适当频率，适当带宽的外接低通滤波器。
2.1DDS 原理。
DDS 即直接数字频率合成，是近年来出现的一种新的频率合成方法。
由于应用了全数字式大规模集成技术，具有体积小，价格低，频率分辨率高，频率快速切换，易于智能控制等优点。
近年来DDS 发展迅速，出现了如Q2368、AD9835、AD9850等一系列芯片。
直接数字频率合成器由相位累加器、只读存储器ROM 、数模转换器DA 及低通滤波器LPF 等构成。
在时钟脉冲的控制下，频率控制字K 由累加器累加得到响应的相码，相码寻址ROM 进行相码一幅码变换，输出不同的幅度编码，再经过DA 得到相应的阶梯波，经过LPF 平滑，即得到由频率控制字K 决定的连续变化的输出波形。
基于DDS技术的信号发生器的设计与实现_毕业设计(论文)
毕业设计设计题目：基于DDS技术的信号发生器的设计与实现基于DDS技术的信号发生器的设计与实现摘要DDS是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文缩写。
与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。
本设计采用单片机为核心处理器，利用键盘输入信号的参数，控制DDS的AD9850模块产生信号，信号的参数在LCD1602上显示，完成正弦信号和方波信号的输出，用示波器输出验证。
DDS是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。
时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率控制字，频率分辨率取决于累加器位数，相位分辨率取决于ROM的地址线位数，幅度量化噪声取决于ROM的数据位字长和D/A转换器位数。
与传统的频率合成方法相比，DDS合成信号具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续等诸多优点。
使用单片机灵活的控制能力与AD9850的高性能、高集成度相结合，可以克服传统DDS设计中的不足，从而设计开发出性能优良的信号发生器系统。
关键词：单片机直接数字频率合成AD9850 DDSDesign and Implementation of the SignalGenerator Based on DDS TechnologyAbstractDDS is Direct Digital frequency Synthesizer (Direct Digital Synthesizer) English abbreviations. Compared with the traditional frequency synthesizer, with low cost, DDS low power consumption, high resolution and fast converting speed time and so on, widely used in telecommunications and electronic instruments field, is to realize equipment full digital a key technology.This design uses the single chip processor as the core, using a keyboard input signal parameters, control of DDS AD9850 module produce signals, the signal parameters in LCD1602 show that the complete sine signal and square wave signal output, the output with an oscilloscope validation.DDS is A full digital frequency synthesizer, by phase accumulators, waveform ROM, D/A converter and low pass filter composition. The clock frequency after A given, the output depends on the frequency of the signal frequency control word, the frequency resolution depends on accumulators digits, phase resolution depends on the ROM address line digits, amplitude quantization noise depends on the ROM data A word length and D/A converter digits. And the frequency of the traditional method than the synthesis, DDS synthesis signal has a frequency switching frequency of short time, high resolution and continuous phase changes, and many other advantages. Using single chip microcomputer control of the flexible ability and high performance, high level of integration of the AD9850 combination, can overcome the disadvantage of the traditional DDS design, to design the developed good performance of signal generator system.Key word:MCU; direct digital frequency synthesis;AD9850;DDS目录1 引言 (1)2DDS概要 (2)2.1DDS介绍 (2)2.1.1 DDS结构 (2)2.1.2典型的DDS函数发生器 (3)2.2DDS数学原理 (5)3 总体设计方案 (8)3.1系统设计原理 (8)3.2总体设计框图 (8)4 系统硬件模块的组成 (9)4.1单片机控制模块 (9)4.1.1 STC89C52主要性能 (9)4.1.2 STC89C52功能特性描述 (9)4.1.3 时钟电路 (11)4.1.4复位电路 (11)4.2AD9850模块 (12)4.2.1 AD9850简介 (12)4.2.2 AD9850的控制字与控制时序 (14)4.2.3单片机与AD9850的接口 (15)4.3滤波电路设计 (15)4.4键盘控制模块 (16)4.5LCD显示模块 (16)4.5.1液晶显示器显示原理 (16)4.5.2 1602LCD引脚与时序 (17)4.6A/D转换模块 (20)5 软件设计与调试 (21)5.1程序流程图 (21)5.2软件调试 (22)5.2.1 keil编程工具介绍 (22)5.2.2 STC-ISP下载工具介绍 (23)6 硬件电路制作 (24)6.1原理图的绘制 (24)6.2电路实现的基本步骤 (24)6.3硬件测试波形图 (25)7 结论 (27)谢辞 .............................................................................................. 错误！未定义书签。
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邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年技术创新传感器与仪器仪表《ＰＬＣ技术应用２００例》您的论文得到两院院士关注基于ＤＤＳ技术提高频谱仪的频率分辨率ＭｅｔｈｏｄｔｏＩｍｐｒｏｖｅＳｐｅｃｔｒｕｍＡｎａｌｙｚｅｒＲＢＷＢａｓｅｄｏｎＤＤＳ（陕西理工学院）尹继武ＹＩＮＪｉ－ｗｕ摘要：将新器件应用于传统仪器是改善其性能的重要手段之一。
本设计采用ＤＤＳ芯片产生数字扫频本振信号，集成模拟乘法器实现外差式混频，晶体滤波器完成中频滤波，集成化真有效值转换芯片完成频谱分量的有效值转换，设计了超外差中频滤波式频谱分析仪，工作频率范围为１０Ｈｚ￣２０ｋＨｚ，其显著特点是频率分辨率高。
关键词：频谱分析仪；频率分辨率；ＤＤＳ；晶体滤波器中图分类号：ＴＭ９３５．２１文献标识码：ＡＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｔｒａｄｉｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅａｎｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｉｔｓｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ａｓｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｚｅｒｗｉｔｈｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓｔｈｏｕｇｈｔ．ＴｈｉｓｄｅｓｉｇｎｕｓｅｓｔｈｅＤＤＳＩＣｔｏｇｅｔｔｈｅｎｕｍｅｒａｌｓｗｅｅｐｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｌｏｃａｌｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌ，ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅｍｉｘｉｎｇｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄｂｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ，ａｎｄｃｒｙｓｔａｌｆｉｌｔｅｒｓｅｌｅｃｔｓｔｈｅｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｎｄｔｒｕｅＲＭＳ－ｔｏ－ＤＣＩＣｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｖａｌｕｅｏｆｓｐｅｃｔｒｕｍ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍ，ｉｔｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒａｎｇｅｉｓ１０Ｈｚ￣２０ｋＨｚ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｓｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｚｅｒ；Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ；ＤＤＳ；Ｃｒｙｓｔａｌｆｉｌｔｅｒ文章编号：１００８－０５７０（２００８）０５－１－０１５３－０２１引言在低频和超低频段工作的频谱分析仪工作频率范围小，但要求频率分辨率高，即频率分辨带宽（ＲＢＷ）小。
目前ＦＦＴ频谱仪可以使用先进的ＤＳＰ器件并借助软件算法提升性能。
对于中频滤波式频谱仪，频率分辨率直接取决于本振信号的频率读出准确度和中频滤波器的选择性。
由于直接数字式频率合成（ＤＤＳ）技术能直接用频率控制字决定输出信号的频率，具有频率读出准确度高和频率步进小的显著特点，同时，晶体滤波器具有极高的等效品质因数，因而具有良好的窄带滤波选择性。
故将这两种技术引入频谱分析仪中，能够显著提高频谱仪的频率分辨率。
２系统方案设计中频滤波式频谱仪结构组成如方框图１所示，中频滤波器的中心频率固定，将待测信号与扫频本振信号混频到固定中频滤波器的频率范围内，其原理相当于用一只带通滤波器沿着频率方向扫描一遍，记录下各频率点的功率谱线。
在传统频谱仪的各单元电路中引入新技术和新器件，能有效改善其性能。
具体包括：采用集成线性模拟乘法器实现混频、采用ＤＤＳ技术获得数字扫频本振信号、晶体滤波器完成中频滤波、集成化真有效值转换芯片实现频谱分量的幅度检测。
２．１输入信号调理可控衰减器和放大器配合，以扩展频谱分析仪的输入动态范围，提高灵敏度。
根据频率范围为１０Ｈｚ—２０ｋＨｚ的要求，低通滤波器采用上限截止频率略高于２０ｋＨｚ的二阶巴特沃思（Ｂｕｔ－ｔｅｒｗｏｒｔｈ）低通滤波器，以抑制带外干扰。
２．２ＤＤＳ扫频本振信号源这部分电路的作用是产生扫频信号输出，要求其频率能直接用频率控制字决定，具有频率步进小和频率读出准确度高的显著特点，这是提高频谱仪频率分辨率的重要环节之一。
采用集成ＤＤＳ器件可以产生频率精度很高的信号，完全满足上述要求。
电路如图２。
使用ｆＭＣＬＫ＝２２．１１８４ＭＨｚ的有源晶振作为ＤＤＳ芯片ＡＤ９８３３的数字主时钟ＭＣＬＫ，ＡＤ９８３３的频率控制字为２８位，其最小输出频率ｆｍｉｎ＝ｆＭＣＬＫ／２２８＝０．０８２４Ｈｚ，输出频率可以选择为ｆｍｉｎ的任意整数倍，但最高频率不得超过ｆＭＣＬＫ／２。
工作时，控制单元为ＡＤ９８３３的串行时钟端ＳＣＬＫ、频率控制使能端ＦＳＹＮＣ、串行数据输入端ＳＤＡＴＡ提供满足时序要求的信号，经ＳＤＡＴＡ端写入２８位频率控制字就可产生相应频率的正弦波输出：ｆＯＵＴ＝频率控制字×（ｆＭＣＬＫ／２２８）。
控制单元快速反复写入渐次递增的频率控制字，就可获得频率渐次步进的信号，这种信号正是所需要的数控ＤＤＳ扫频本振信号。
因为要求频谱仪输入信号频率为１０Ｈｚ￣２０ｋＨｚ，混频后输出的中频选择为ｆＩＦ＝３２７６８Ｈｚ。
故该扫频本振的扫频范围是ｆＬ＝３２７７８Ｈｚ￣５２７６８Ｈｚ，相应地，ＡＤ９８３３的频率控制字应从６１１ＥＢＨ渐次递增到９Ｃ５９８Ｈ，控制字步进为６Ｈ时，可得频率步进△ｆ＝０．４９４３８Ｈｚ≈０．５Ｈｚ。
尹继武：副教授硕士１５３－－技术创新中文核心期刊《微计算机信息》（测控自动化）２００８年第２４卷第５－１期３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６《现场总线技术应用２００例》传感器与仪器仪表２．３混频电路混频电路的作用是将待测信号与扫频本振信号实现超外差式混频，通过本振扫频，将待测信号的各种频谱成份分别搬移到固定中频滤波器的中心频率附近，实现对待测信号的频谱分离。
要求混频电路的混频线性好（频谱线性平移），动态范围大，内部噪声小。
采用集成四象限线性模拟乘法器ＭＣ１４９５为核心设计的电路可以很好地满足上述混频要求。
电路如图３所示。
模拟乘法器ＭＣ１４９５实现待测信号与扫频本振信号的乘积，从（２）脚和（１４）脚输出差动电流信号，为提高灵敏度和便于后续电路处理，设计了由宽带运放ＮＥ５５３２为核心的电平转换电路，作用是将ＭＣ１４９５差动输出电流线性转换成单端输出电压。
与其他形式混频器相比，ＭＣ１４９５在输入信号达１０Ｖ的动态范围内，具有良好的混频线性，输出信号只有两输入信号的和频与差频，差频就是有用的中频信号ｆＩＦ＝ｆＬ－ｆ，无用的混频干扰成分少。
２．４晶体滤波、中频放大和真有效值检波电路由于频谱仪的频率分辨率带宽（ＲＢＷ）主要取决于中频滤波器的选择性，采用具有极高等效品质因数的晶体滤波器可以获得良好的窄带滤波选择性，是提高频谱仪频率分辨率的重要手段。
这部分电路如图４。
此处选用ｆＩＦ＝３２７６８Ｈｚ的无源晶振配合运放ＮＥ５５３２完成中频滤波、放大，实测表明，该电路的３ｄＢ带宽约为２Ｈｚ。
在中频滤波、放大电路之后，选用宽频带、低功耗、输出误差极小的集成化真有效值转换芯片ＡＤ５３６，组成了真有效值检波器，完成频谱分量的有效值转换，最后用Ａ／Ｄ转换器实现频谱分量的测量。
由于前面的放大器、混频器、中频滤波放大器等单元电路对输入信号中各频谱分量的幅值皆呈现线性响应，故此处可以测量得到输入信号中每一种频谱分量的有效值电压。
２．５控制和显示单片机系统组成的控制单元对整个电路进行控制，并完成频谱信息的采集与分析处理。
过程：单片机系统控制ＤＤＳ本振实现ｆＬ＝３２７７８Ｈｚ￣５２７６８Ｈｚ的扫频输出，该扫频信号与输入信号在乘法器ＭＣ１４９５内实现乘积混频，经过晶体滤波器选出３２７６８Ｈｚ的中频信号，由ＮＥ５５３２完成中频放大，再由ＡＤ５３６转换得到相应频谱分量的有效值电压，经过Ａ／Ｄ转换后回送到单片机系统。
由单片机系统对Ａ／Ｄ转换器送来的数据进行判断，在扫频过程中，若Ａ／Ｄ转换器回送一个极值电压（在本振扫频过程中该电压先变大再变小），则存储此电压，并同时存储此电压极值出现时的ＤＤＳ本振频率ｆＬ，这就得到了被测信号的一个频谱分量ｆ＝ｆＬ－ｆＩＦ，直到本振从３２７７８Ｈｚ扫频到５２７６８Ｈｚ，就可实现对频率范围为１０Ｈｚ￣２０ｋＨｚ的频谱分析。
控制单元程序流程图如图５３结论随着新技术的发展，新器件不断出现，及时地将新器件和新技术应用于传统仪器设备中，能够使用其性能得到明显改善。
本设计将这一思路在中频滤波式频谱仪中进行了成功尝试：使用ＤＤＳ技术产生数字扫频本振信号、集成模拟乘法器实现混频、晶体滤波器完成中频滤波、集成化真有效值转换芯片实现频谱分量的幅度检测，这些措施有效提高了频谱仪的频率分辨率和频率读出准确度，在１０Ｈｚ￣２０ｋＨｚ的频率范围内，频率分辨率达到２Ｈｚ。
本文作者创新点：将直接数字式频率合成（ＤＤＳ）技术，集成模拟乘法器，晶体滤波器，集成化真有效值转换器等新技术和新器件应用到传统的超外差中频滤波式频谱分析仪中，显著提高了频谱仪的频率分辨率和频率读出准确度。
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