80MHz-100MHz频谱分析仪（E题）
山东大学 邵英婕 丁峰 刘飞扬 指导教师：姜威、边栋、陆小珊
（由于电子文档不兼容，符号和线路图没有显示，详情请查看附件）
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
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 录
1.方案选择与论证... 2
1.1本振源设计方案... 2
1.2窄带滤波器设计方案... 2
1.3频谱分析显示设计方案... 2
1.4总体方案选择... 3
2.理论分析与计算... 3
2.1锁相环分析计算... 3
2.2环路滤波器的分析计算... 3
2.3混频原理分析计算... 4
3.电路与程序设计... 5
3.1 电路设计... 5
3.2 程序设计... 6
4.测试方案与测试结果... 6
4.1测试仪器... 6
4.2测试方案及数据... 6
4.2.1 锁相环测试... 6
4.2.2 本振源测试... 7
4.2.3 频谱分析仪测试... 7
5.总结... 8
6.参考文献... 8
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：