简易频谱分析仪设计分析
基于MATLAB的频谱分析仪设计
基于MATLAB的频谱分析仪设计
频谱分析仪是一种用于测量信号频谱以及分析信号频谱特征的仪器。
频谱分析仪在许多领域具有广泛的应用，例如通信系统、音频处理、机械振动等。
在这篇文章中，我们将基于MATLAB来设计一个频谱分析仪。
首先，我们需要了解频谱是什么。
频谱是信号在不同频率上的能量分布情况。
在频谱分析中，常用的频谱表示方法有幅度谱和相位谱。
在MATLAB中，可以使用fft函数对信号进行频谱分析。
该函数将信号从时域转换为频域，并返回信号的幅度谱和相位谱。
接下来，我们需要设计一个用户界面，用于输入和显示信号数据。
可以使用MATLAB的图形用户界面（GUI）工具箱来实现。
首先，创建一个GUI窗口，包括信号输入框、频谱显示框和按钮。
用户可以在信号输入框中输入信号数据，然后点击按钮来进行频谱分析。
在按钮的回调函数中，我们可以获取用户输入的信号数据，并使用fft函数对信号进行频谱分析。
然后，我们将频谱数据显示在频谱显示框中。
在频谱显示框中，我们可以使用MATLAB的plot函数来绘制频谱图。
可以将频率作为X轴，幅度谱作为Y轴进行绘制。
此外，我们还可以为频谱分析仪添加一些额外的功能，例如窗函数选择、功率谱密度估计、频谱平滑等。
这些功能可以使用MATLAB提供的函数来实现。
总结起来，基于MATLAB的频谱分析仪设计主要包括信号输入、频谱分析、频谱显示以及额外功能的添加。
通过MATLAB的函数和工具箱，我们可以方便地实现一个功能完善的频谱分析仪。
简易频谱分析仪的设计与制作
1 方案论证与选择1.1 本征频率正弦波产生的方案比较与选择方案一：采用DDS信号发生器来产生本征频率正弦波。
其实现方法是：利用单片机波表到FPGA的RAM中，然后将波表数据输出到D/A中，通过D/A转换而得到。
该方法实现简单，只需要一片DA芯片就可以了，但由于此方法只能产生频率较低的正弦波，对题目中所要求的1MHz-30MHz频率范围的正弦波产生比较困难，因此舍弃该方法。
方案二：采用锁相环的频率合成技术实现。
原理框图如下所示：通过改变程序分频器的分频比可以获得频率稳定度等同与晶振的输出信号，基于锁相环的窄带跟踪特性，可以较好的选择所需频率信号，抑制杂散分量。
但由于锁相环本身是个惰性环节，频率转换时间较长，同时受VCO可变频率范围的影响，频带不能做的很宽。
方案三：采用AD9851来产生本征频率正弦波。
AD9851是AD公司最新推出的采用先进CMOS技术生产的具有高集成度的直接数字合成器，内置32位频率累加器、10bit高速DAC、高速比较器和可软件选通的时钟6倍频电路。
外接参考频率源时，AD9851可以产生频谱纯净、频率和相位都可控且稳定度非常高的正弦波，可以直接作为信号源。
由于要产生的正弦波信号要稳定度高、相位稳定、频带较宽，且目前有可用的AD9851模块可用，因此采用方案三。
1.2混频电路的方案比较与选择方案一：采用三极管电路实现信号的混频。
电路原理图如右图所示：其中：为输入的待测信号，为本征频率正弦波信号。
由于在该方案中用到了分立元件三极管，电路中容易产生非线性失真，同时，相对于数字电路来说，该电路性能也不是很稳定。
方案二：采用模拟乘法器芯片AD835实现信号的混频。
AD835是电压输出的模拟乘法器，其基本功能是实现W=XY+Z。
该乘法器芯片可以实现250MHz范围内信号的混频。
电路的原理图如右图所示：根据以上的分析可知，由AD835实现的混频器电路性能要优于采用三极管实现的混频器电路，因此，采用方案二实现电路。
简易频谱分析仪设计资料
摘要该简易频谱分析仪以单片机AT89S52为控制核心，控制高中频的二次变频扫频接收机进行频谱分量分析，同时在示波器屏幕上显示频谱分量，具有分析范围宽、高镜像抑制比和高分辨力的特点。
该作品很好地达到了设计目标。
一、方案设计与论证1、总体设计方案方案一：将被测信号放大后直接用DSP或单片机经A/D转换后进行傅立叶展开等数字处理，将得到的结果送到示波器等显示器件进行显示。
这个方案的优点是比较容易从软件上进行各种数字运算的处理，因为本题目要求的指标并不高，采用这个方案将会极大提高设计成本和增加开发难度；方案二：参考题目推荐的方法，该题目可设计成一扫频接收机，在扫频范围内能检测到每个频点上的信号幅度，此方案的优点是电路比较简单，不需要DSP等专用芯片处理就可以满足设计要求，缺点是实时性比较差。
比较两种方案，考虑制作难度、性价比和时间等因素，我们选用了方案二，参考专业短波通讯中的接收机电路，采用二次变频法将会得到比较高的镜像抑止比、灵敏度和选择性。
2、输入调谐回路方案一：采用变容二极管和电感线圈组合成的压控可变中心频率的LC调谐回路进行选频，这种电路的优点是可以得到良好的选频特性，缺点是在1－30MHZ的覆盖范围内单个LC 回路难以实现，需要用到频段切换等技术处理，难以做到比较好的一致性；方案二：采用非调谐宽带滤波的办法，输入级不设选频电路，只设置一个通频带为1－30MHZ的带通滤波器，缺点是没有选频特性，但是电路简单可靠；综合比较后选择方案二，选频的实现是在一次变频后用中心频率为45.499MHZ的LC滤波器选频。
3、混频器混频器是外差式接收电路必不可少的。
方案一：用分立元件如三极管和二级管组成，显然电路比较简单，但是在混频增益和性能一致性上有所欠缺；方案二：用集成电路混频器，虽然一般的器件存在动态范围小的缺点，但是混频增益高和性能稳定；本作品需要用到两个混频器，要求比较高，综合比较后选择方案二，采用性价比很高的NE602作为混频器件，事实证明有很好的效果。
简易频谱分析仪课程设计
摘要系统利用SPCE061A单片机作为主控制器，采用外差原理设计并实现频谱分析仪：利用DDS芯片生成10KHz步进的本机振荡器，AD835做集成混频器，通过开关电容滤波器取出各个频点（相隔10KHz）的值，再配合放大，检波电路收集采样值，经凌阳单片机SPCE061A的处理，最后送示波器显示频谱。
测量频率范围覆盖10MHz-30MHz，可根据用户需要设定显示频谱的中心频率和带宽，还可以识别调幅，调频和等幅波信号。
关键词：SPCE061A；DDS；频谱分析仪目录⒈设计要求 (1)⒉方案论证 (1)⒊方案设计 (2)3.1 硬件设计 (2)3.2 软件设计 (8)⒋测试说明 (9)4.1 测试仪器 (9)4.2 测试过程几组测试数据 (9)⒌小结 (10)⒍系统需要的元器件清单 (11)参考文献 (11)⒈设计要求设计一个测量频率范围覆盖为10MHz-30MHz，可根据用户需要设定显示频谱的中心频率和带宽，还可以识别调幅，调频和等幅波信号的简易频谱分析仪。
基本要求：（1）频率测量范围为10MHz--30MHz；（2）频率分辨力为10kHz，输入信号电压有效值为20mV±5mV，输入阻抗为50Ω；（3）可设置中心频率和扫频宽度；（4）借助示波器显示被测信号的频谱图，并在示波器上标出间隔为1MHz的频标。
⒉方案论证方案一[1]：扫频法。
这种频谱分析仪采用外差原理，由本机振荡器产生一定步进频率的信号与输入信号相乘，然后由适当的滤波器将差频分量滤出以代表相应频点的幅度。
本机振荡信号可以达到很宽的频率，与外部混频器配合，可扩展到很高频率。
这种方法的突出优点是扫频范围大，硬件成本低廉，但这种方法对硬件电路要求较高，各模块性能都需要精心设计，且连接在一起整体调试时有一定难度。
而且它只适于测量稳态信号的频率幅度，获得测量结果要花费较长的时间。
方案二[2]：FFT法。
这种频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样,再经FFT处理后获得频谱分布图。
手提式频谱分析仪的设计研究的开题报告
手提式频谱分析仪的设计研究的开题报告一、选题背景频谱分析仪是一种广泛应用于科研、生产、检测等领域的测试设备。
目前市面上的大多数频谱分析仪都采用桌面型或机架式结构，不方便携带和移动使用。
但是在现场测试、采集以及故障排查等场景下，需要频谱分析仪具备便携性和快速响应的特点，因此需要设计一款手提式的频谱分析仪。
二、选题意义手提式频谱分析仪可以满足用户在现场测试和采集时的需求，且其便携性可以使其广泛用于各类行业。
这种频谱分析仪相较于桌面型或机架式结构的频谱分析仪，具有更小巧、轻便的特点，用户可以方便地移动、携带甚至操作，且其响应速度也能跟上生产、故障排查等现场应用的需求。
三、研究内容本文将主要研究手提式频谱分析仪的设计和实现。
具体包括：1.对现有的桌面型和机架式频谱分析仪进行研究和分析，确定手提式频谱分析仪的要求和设计方案。
2.针对手提式频谱分析仪特点，结合用户的使用场景和需求，分析选型和设计硬件电路，以确保其具有足够的性能和稳定性。
3.设计合适的软件系统，包括数据处理、分析和可视化。
4.实现手提式频谱分析仪的原型，进行性能测试和优化。
五、预期成果完成手提式频谱分析仪的设计和实现，具有以下特点：1.小巧、轻便、易于携带和操作。
2.具有高容量、高速度、高精度等优势，能够满足用户对频谱分析仪的性能要求。
3.软件系统具有较好的用户体验和易用性，并提供多种数据处理和可视化方式。
4.有较高的经济价值和社会意义。
六、研究方法本文采用文献综述、理论分析、设计和实验等多种方法，具体包括：1.收集和分析相关的文献和信息，了解频谱分析仪的基本原理、结构和应用情况，确定手提式频谱分析仪的要求和设计方案。
2.进行硬件电路方案设计，选型和测试。
采用模块化设计思路，压缩整体体积的同时，保证硬件系统的高性能。
3.设计软件系统，包括图形用户界面设计，数据采集及处理等。
4.通过对原型机性能的测试以及实验数据的分析，最终得出一个具备优异性能和可行性的手提式频谱分析仪原型。
于基dsp的简易频谱分析仪设计 --本科毕业设计
基于DSP的简易频谱分析仪设计摘要我们对一个信号的认识只在时间域是远远不够的，所以还要在频域去认识和分析它。
在电子测量中，测量网络阻抗特性以及传输特性是经常遇到的问题问题，其中，幅频特性、增益和衰减特性、相频特性等是属于传输特性内的。
它很大程度方便了调整，校准被测网络及排除故障。
本此设计制作了一个简易频谱分析仪从而可以更直观的看到信号的特性。
为了实现这一目标，我们需要利用快速傅里叶变换（FFT）来实现对信号的频谱分析。
由于DSP可以处理比较复杂的算法本次设计采用FFT算法通过DSP分析显示输入波形的频率值。
关键词：频谱分析DSP FFT 显示频率The Simple Spectrum Analyzer Design Based on DSP AbstractWe can’t know a signal only in the time domain .It is far from enough, so we also recognize and analyze it in the frequency domain. In the electronic measurement, impedance and transmission characteristics of the network are often encountered in the measurement problems; Transmission characteristics include the gain characteristics, attenuation characteristics, amplitude-frequency characteristic and phase frequency characteristics. It provides a great convenience for the adjustment of the network under test, calibration and troubleshooting.We design a simple spectrum analyzer to see the characteristics of the signal more intuitively. In order to achieve this goal, we need to use the fast Fourier transform ，that is FFT which make spectrum analysis of the signal. Since the DSP can solve the more complex algorithms than others. Hence, we designed a simple spectrum analyzer using the FFT algorithm by DSP to show the frequency of the input waveform.Key word s: Spectrum Analyzer ; DSP; FFT ; Frequency Display目录第1章概述 (1)1.1 引言 (1)1.2 定点DSP的数据格式 (2)1.3 TMS320F2812 DSP介绍 (2)1.3.1 TMS320F2812概述 (2)1.3.2 TMS320F2812芯片结构及性能描述 (3)第2章总体设计思路 (4)2.1 系统指标 (4)2.2 系统方案 (4)2.2.1 信号发生器模块 (5)2.2.2 DAC转换模块 (5)2.2.3 陷波网络模块 (6)2.2.4 信号调理模块 (6)2.2.5 AD采集模块 (6)2.2.6 FFT计算处理模块 (7)第3章具体设计 (7)3.1 工程建立 (7)3.2 正弦波发生模块 (9)3.2.1 定时器模块 (10)3.2.2 中断模块 (12)3.2.3 GPIO模块 (14)3.3 DAC转换模块 (15)3.4 陷波网络模块 (16)3.5 信号调理电路模块 (18)3.6 AD采集模块 (19)3.6.1 事件管理器定时设置 (20)3.6.2 ADC设置模块 (22)3.7FFT模块 .............................................................................. .. (24)第4章实验结果 (31)第5章总结与展望 (37)5.1 总结 (37)5.2 展望 (38)参考文献 (38)致谢 (39)第1章概述1.1 引言DSP的2种理解：广义理解：digital signal processing——数字信号处理狭义理解：digital signal processor——数字信号处理器数字信号处理的概念是利用计算机或者专用的处理设备，对连续的数字信号进行各种数学运算，最终得到我们想要的分析结果。
简易频谱分析仪
简易频谱分析仪摘要：本系统采用TI 公司的16位单片机MSP430F149作为控制核心，采用外差原理设计并实现频谱分析仪，基于DDS 技术得到10 kHz 步进的本机振荡器，采用AD835进行混频，通过低通滤波器取出差频信号分量，再配合放大、检波电路得到各个频点的信号有效值。
单片机MSP430F149与扫频同步输出锯齿波扫描电压，利用示波器X-Y 方式显示信号频谱分布。
测量频率范围覆盖1MHz-30MHz ，可设定中心频率和带宽，还可以识别调幅，调频和等幅波信号。
关键词：MSP430F149，DDS ，混频，频谱分析一、 系统方案1. 方案比较与选择 1.1频谱分析仪的实现方案一 ：模拟式频谱分析仪模拟方式的频谱仪以模拟滤波器为基础，通常有并行滤波法、顺序滤波法，可调滤波法、扫描外差法等实现方法，现在广泛应用的模拟频谱分析仪设计方案多为扫描外差法，此方案原理框图如图1：U 图1 模拟外差式频谱仪原理框图图中的扫频振荡器是仪器内部的振荡源，当扫频振荡器的频率f L 在一定范围内扫动时，输入信号中的各个频率分量f x 在混频器中产生差频信号（f o = f x -f L ），依次落入窄带滤波器的通带内（这个通带是固定的），获得中频增益，经检波后加到Y 放大器，使亮点在屏幕上的垂直偏移正比于该频率分量的幅值。
由于扫描电压在调制振荡器的同时，又驱动X 放大器，从而可以在屏幕上显示出被测信号的线状频谱图。
这是目前常用模拟外差式频谱仪的基本原理。
模拟外差式频谱仪具有高带宽和高频率分辨率等优点，但是模拟器件调试复杂，短期实现有难度。
方案二：数字式频谱分析仪数字式频谱仪通常使用高速A/D 采集当前信号，然后送入处理器处理，最后将得到的各频率分量幅度值数据送入显示器显示，其组成框图如图3：图3 数字式频谱仪组成框图信号经高速A/D 采集送入处理器，通过硬件乘法器与本地由DDS 产生的本振扫频信号混频，变频后信号不断移入低通数字滤波器，然后提取通过低通滤波器的信号幅度，根据当前频率和提取到的幅度值，即可以绘制当前信号频谱图。
基于matlab简易声音信号频谱分析仪设计说明书
（4）MATLAB提供的声音文件读取函数和录音函数的利用问题。MATLAB顶用于声音读取的函数是wavread，该函数输入参数为文件名，输出结果有双声道的声音信号矩阵和音频采样率值。MATLAB中基于PC的录音函数是wavrecord，利用该函数时发觉，必需先设定好录音的时刻。关于该问题，我想过用多种方式来解决，但仍是没有找到十分好的解决方法。
N = size;
guidata(hObject,handles);
t=0:1/fs:(N(1)-1)/fs;
plot,t,;
xlabel,'Time (s)','fontweight','bold');
ylabel,'Amplitude','fontweight','bold');
grid;
上面代码为文件打开按钮的回调函数中的一部份，第一句打开文件对话框，限定选择.wav文件，返回选择的文件名。第二句读取打开的声音文件，并获取音频采样率的值。接着将取得的信号数据存入handles句柄。然后，依照获取到的音频采样率和数据长度还原出时刻轴序列。最后将信号波形输出到axes1坐标轴上。
实际应历时，能够通过利用截断函数(窗函数)来减小栅栏效应。下面仅以汉宁窗函数为例，说明其工作原理。
汉宁窗函数是余弦平方函数，又称为升余弦函数，它的时域形式能够表示为：
（2-9）
它的频率幅度特性函数为：
（2-10）
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简易频谱分析仪设计分析
简易频谱分析仪基于外差原理,采用本机振荡信号与被测信号混频的方法实现该原理,可对频率范围在1MHz—30MHz之间的被测信号进行频谱分析,频率分辨力和误差均小于1KHz。
该系统具有识别调幅、调频和等幅波信号及测定其中心频率的功能,可设置中心频率和扫频宽度。
标签：外差法;频谱分析;混频
1 方案设计
(1)采用外差原理设计并实现频谱分析,其参考原理框图如图1所示。
这要求频率测量范围为1MHz—30MHz,频率分辨力为10kHz,输入信号电压有效值为20mV±5mV,输入阻抗为50Ω。
可设置中心频率和扫频宽度;借助示波器显示被测信号的频谱图,并在示波器上标出间隔为1MHz的频标。
具有识别调幅、调频和等幅波信号及测定其中心频率的功能,采用信号发生器输出的调幅、调频和等幅波信号作为外差式频谱分析仪的输入信号,载波可选择在频率测量范围内的任意频率值,调幅波调制度ma=30%,调制信号频率为20kHz;调频波频偏为20kHz,调制信号频率为1kHz。
基本电路涉及放大电路,本振电路,混频电路,滤波电路,有效值检波以及各个模块之间的耦合与匹配。
(2)系统总体设计方案。
输入信号经过放大,匹配输入阻抗,使得信号幅度在最佳状态,1次混频的扫频
本振由DDS产生的信号经放大滤波后获得,在30多MHz的中心频率处做一个选频网络作为中频滤波器。
二次混频的固定本振采用串联晶体振荡电路,产生高稳定度的本振信号,将信号频谱搬移到10.7M,以便滤波器使用10.7M的标准中频陶瓷滤波器。
三次混频和二次混频类似,中频滤波器通过455K带通滤波器。
再经过均值检波,A/D转换,存储在FPGA内部的RAM中,再经过存储数据判断送示波器X轴Y轴显示。
采样、控制部分采用89S52单片机和FPGA实现,调配键盘,显示,实现人机界面。
2 理论分析与计算
2.1 测量范围(1M—30MHz)的理论分析
要求频率测量范围是1M—30MHz,对于这么宽的高频带,只能采用集成DDS 芯片实现。
采用AD9851,最高时钟频率为180MHz,输出30MHz信号时每个周期的平均点数只有6个,混叠失真比较严重。
所以要想实现题目要求的指标,对AD9851输出信号的滤波和放大等处理是比较关键的。
2.2 频率分辨力的相关理论分析
要求的频率分辨力是10KHz,即能分辨频率之差为10KHz的信号。
这一指标
包含了两个意思:
(1)扫频发生器的频率步进应≤10KHz。
(2)测得的频率误差应≤10KHz。
2.3 带通滤波器中心频率及带宽的确定
(1)中心频率的确定。
对于等幅波,理论上谱线只有一根,只要滤波器带宽合适,就可以消除镜像频率的干扰。
但对于调幅和调频波,就必须考虑镜像频率的干扰。
设载波频率为fc,中心频率为fw,为了抑制镜像频率的干扰,需满足: fc-20k+2fw≥fc+20k,即fw≥20KHz。
综合考虑滤波器的性能后,我们将fw定为45KHz。
(2)带宽的确定。
根据题目给出的10KHz的频率分辨力,为了防止频谱混叠,滤波器带宽应≤10KHz。
我们根据实际情况,最终将带宽定在6KHz。
3 系统调试与指标测试
3.1 测试方法
采用分级调试的方法,先调试带通滤波器、放大器、混频器、晶体振荡器等各个模块都正常工作,其中检波,A/D,D/A及AD9851模块需结合程序来调试。
再按功能实现按阶段进行调试。
首先调试9851,先写一个扫频程序,让9851产生1M 到30M的频率,用示波器观察9851出来的信号在正个扫频范围内是否正常。
再调试混频器,用信号源输出一个信号,和9851输出的信号混频,混频后的结果用示波器观察,其频谱应该有两根线,一个是两个信号的频率相加,一个是两个信号的频率相减。
接下来就调试34.7M的带通滤波器。
由于在这么高的频率上做一个带通滤波器不是很容易,所以我们是先用射频信号源把带通滤波器调试好,就可以直接投入使用了。
由于本系统有三级混频,所以在后两级混频中还要有本振,我们采用的是晶振荡器。
晶体振荡器的调试也是用示波器观察,调试好后直接投入使用。
然后就是检波和A/D转换,检波的调试先让9851输出一个固定的频率,然后改变信号源的频率,用示波器观察检波后的直流量的变化规律是否正常。
调试好检波之后就调试A/D转换器,这部分的调试要用CPU启动A/D转换和采样,转换之后的数字量应和输入的模拟量相对应。
D/A的调试很方便,让CPU输出一个三角波的数字信号给D/A,用示波器观察转换后的结果。
在分别调整各个部分性能至最优后进行整体调试。
3.2 测量结果(如下表所示)
4 实验结果分析
本实验结果基本上达到了要求。
由于采用了高中频原理,所以没有镜像干扰。
但是采用的是AD637有效值检波,由于其滞后特性,使得测得中心频率点的峰值会有所减小,中心频率滞后。
我们通过来回两次扫频减小误差。
本系统的误差来源还有滤波器的带宽不够窄,第一次混频时的两个高频信号会互相干扰,致使频谱不够纯净,对后级的混频滤波会有影响。
参考文献
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[4]王金明,样吉斌.数字系统设计与Verilong HDL[M].北京:电子工业出版社,2005.。