基于DSP的简易频谱仪设计方案指导老师：***班级：信处092姓名：苟海军 2009021109朱鑫 2009021114郑顺 200902二零一二年四月二十八日摘要本文设计了一种实时信号频谱分析系统，该系统以TMS320VC5402DSP作为系统数据处理核心，首先对信号作滤波处理，再通过AD9200高速模数转换芯片对数据信号进行采样，最后通过串口在PC机上完成对数据的显示。

其中，DSP芯片完成数模转换和FFT变换。

应用DSP芯片，可以完全胜任较高频率信号处理的工作，在本系统中的信号频率为2MHz。

另外，本系统的设计能够实现对信号的实时频谱分析并显示。

关键词:频谱分析DSP FFTAbstractThis paper introduces the design of a real time signal spectrum analysis system,the system uses TMS320VC5402DSP as the core of data processing system,to complete the signal filter processing at frist and sampling the data signal by the high speed analog to digital conversion chip-AD9200.At last,the system will display the data by USART on the computer. What need points out is that DSP chip completes the conversion and FFT transform mainly. Application of DSP device can be fully qualified for the job that processing the high frequency signal.In addition,the frequency of the signal is about 2MHz.What's more,the design of this system can complete the real-time signal spectrum analysis and display.Keywords：Spectrum analysis DSP FFT目录摘要 (2)第一章前言 (5)第二章频谱仪原理 (6)第三章频谱仪硬件设计 (7)3. 1相关开发工具 (7)3.2频谱仪硬件设计 (7)3.2.1 系统设计方案 (7)3.2.2 电源 (8)3.2.3 滤波器 (10)3.2.4 ADC信号采集 (11)3.2.5 异步串行口 (13)第四章频谱仪软件设计与实现 (14)4.1系统软件框架图 (14)4.2 FFT实现 (14)4.2.1 FFT原理 (14)4.4.2 FFT软件实现框图 (16)4.3异步串行口 (17)第五章频谱仪结果分析 (18)5.1结果分析 (18)5.2总结 (18)参考文献 (19)附录 (20)附1 元器件清单明细 (20)附2 源代码 (20)第一章前言频谱分析实质是对信号功率谱的估计，功率谱技术渊源很长，广泛应用于雷达、声纳、通信、地质探测、天文生物医学工程等众多领域，是军用和民用电子测试不可或缺的设备，例如，对各类旋转、电机、机床等机器的主题或部件进行实际运行状态下的谱分析，可以提供设计数据和检验设计结果，或者寻找震源和诊断故障，保证设备的安全运行等。

在DSP芯片出现之前频谱分析的实现是依靠模拟滤波的方法来完成的。

数字信号处理技术的发展为频谱分析提供了新的解决方案。

本文设计了一种基于DSP的频谱分析系统，该系统以TI公司的DSP芯片TMS320VC5402作为数据处理核心，组成了具有数据采集实时数据处理和频谱显示功能的硬件平台，在此基础上，应用FFT技术形成数字化的频谱分析系统。

系统信号通过AD8032构成的带通滤波器，由AD9200作为高速模数转换器，由DSP芯片完成FFT变换，最后通过串口输出到PC机，并显示波形。

本频谱分析系统的设计，能够完成对实时信号的处理，通过串口显示数据和波形，充分掌握DSP的FFT技术，熟悉DSP芯片的用法。

第二章频谱仪原理频谱分析仪大体可以分为扫描调谐式频谱仪及傅里叶分析仪2大类。

扫描调谐式频谱仪如扫频朝外差接收机，能分别显示复杂信号中各个不同频率分量的幅度，但不能提供相关相位信息。

这类一起主要用于连续信号和周期信号的频谱分析。

傅里叶分析仪采用数字采样及数字变换技术得到被测信号的傅立叶谱。

采用傅里叶分析仪能在被测信号存在的有限时间内，提取信号的全部频谱信息，并能显示频率、幅值及相位。

频谱分析仪从原理来看主要有快速傅里叶变换（FFT）分析仪和扫频调谐式分析仪。

本系统采用傅里叶变换的原理。

快速傅里叶变换分析仪是一种软件设计算法。

当知道被测信号f(t)的取样值fk,则可用DSP来按快速傅里叶变换的计算方法求出f(t)的频谱。

目前可以讲DSP于数据采集、显示电路配合组成频谱仪，通过串口发送给PC机显示出来，其原理如图2-1。

f图2-1 FFT频谱分析仪原理第三章频谱仪硬件设计3. 1相关开发工具本频谱分析仪是基于DSP的FFT技术的应用，需要研究人员熟悉多种应用软件，掌握各种信号处理芯片以及信号滤波等相关知识。

在硬件上，需要明确运放、模数转换器、电源芯片、串行口芯片以及电平转换芯片的使用方法和设计电路，完成系统硬件的设计。

在软件上，着重需要掌握CCS。

CCS是DSP开发的平台，是软件实现的基础，因此需要熟练操作该软件。

同时，应该努力学习掌握DSP的语法，实现对DSP 的应用，完成软件设计。

另外，还需要掌握Protel、Cadence等PCB制图软件，这是硬件开发的基础和必要前提。

3.2频谱仪硬件设计3.2.1 系统设计方案本频谱仪硬件系统主要分为电源部分、滤波器、AD采集和串行口数据输出四个部分。

其中，电源采用TI的TPS767D318，主要是为DSP芯片提供电源。

其它部分如ADC、串行口等则采用一般的电源芯片，如AS2815等。

滤波器部分是利用AD8032构成带通滤波器，完成对中频信号的滤波处理。

而串口通讯则是在MAX3232的前提下通过SC16C55C完成其数据传输过程。

DSP作为整个系统的中枢，完成信号的FFT变换。

其系统设计框图如图3-1。

图3-1 频谱仪设计系统框图在整个系统中，只有每一个模块合理设计才能让系统正常工作，每一个模块缺一不可。

下面将详细介绍其每个部分的设计思路。

3.2.2 电源频谱仪的电源主要分为两个部分，一部分是TPS767D318芯片，其主要为系统的控制核心DSP芯片供电，一部分是除MCU信号处理部分的电源，其主要采用传统的线性电源，如AS2815、78系列。

电源电路为系统中DSP芯片及其他元器件提供电源。

设计时主要从电源电压结构、电流要求及加电次序等三个方面考虑。

5402采用低电压工作，其内核电压(CVdd)为1．8V，I／O引脚电压(DVdd)为3．3 V。

而常用电子元器件工作电压为5 V，因此，电源管理电路需要提供3种电压：5 V、3．3 V、1．8 V。

实际常用的直流电压一般为5V或者更高，因此必须采用电压转换芯片，将高电压转换成3．3 V和1．8 V供5402芯片使用。

系统对电源的电流要求主要取决于DSP外围器件的激活度即使用情况。

其中CVdd电流取决于CPU的激活度，DVdd电流取决于外部接口引脚的激活度。

此外，理想情况下，对DSP芯片电源引脚的加电次序是同时加电。

在不能做到绝对同时时，应保证DVdd先于CVdd加电。

的外围电路提供电源其电路原理图如图3-3。

其中D1、D2为整流二极管起到防3.2.3 滤波器输入信号需要通过滤波器消除其噪声与纹波以满足模数转换器采样要求。

本系统滤波器设计成带通滤波器，用于采集中频信号，如设计一个中心频率为2M 的有源带通滤波器如图3-4，其频响如图3-5。

图3-4 中心频率2M的有源带通滤波器设计图3-5 中心频率2M的有源带通滤波器频响当然，也可设计一个有源低通滤波器，用于基带信号的采集，在这里就不做过多赘述。

3.2.4 ADC信号采集频谱仪输入信号在完成了滤波过程之后就需要模数转换器对信号进行采集。

系统采用AD2000高速模数转换器以完成对信号的采集任务。

AD9200是一款单芯片、10位、20 MSPS模数转换器(ADC)，采用单电源供电，内置一个片内采样保持放大器和基准电压源。

它采用多级差分流水线架构，数据速率达20 MSPS，在整个工作温度范围内保证无失码。

AD9200的输入经过设计，使成像和通信系统的开发更加轻松。

用户可以选择各种输入范围和偏移，并可通过单端或差分方式驱动输入。

采样保持放大器(SHA)既适用于在连续通道中切换满量程电平的多路复用系统，也适合采用最高奈奎斯特速率及更高的频率对单通道输入进行采样。

利用片上箝位电路（AD9200ARS、AD9200KST），可以使交流耦合输入信号偏移到预定电平。

动态性能极为出色。

AD9200具有一个片上可编程基准电压源。

也可以选用外部基准电压源，以满足应用的直流精度与温度漂移要求。

采用一个单时钟输入来控制所有内部转换周期。

数字输出数据格式为标准二进制。

超量程(OTR)信号表示溢出状况，可由最高有效位来确定是下溢还是上溢。

其设计电路如图3-6。

图3-6 AD9200信号采集电路中频输入信号中心频率为2MHz，电压峰峰值为1V。

如果前端送出的中频信号阻抗为50Ω，则该电路直接可用；如果是较高阻抗，则电路中50Ω的匹配电阻不用。

CLKsam为DSP的定时器输出的Tout信号，通过D触发器将窄脉冲变成方波。

D触发器要用CMOS电路，如74HC74，便于3.3V供电。

也可用74HC393计数器做一次二分频获得。

DSP定时器输出的频率应是采样频率的2倍；而读信号可以直接使用DSP的DS信号或IS信号，频率必须和采样频率一致。

调试需要DSP软件的配合，通过仿真器加以控制。

3.2.5 异步串行口UART可采用SC16C550实现，通过电平转换电路MAX3232将3.3V的LVTTL 电平转换成标准的RS232电平，与计算机进行串行传输通信。

如图3-7为串口通讯电路。

实现通信只需TXD和RXD信号即可。

+3图3-7 串口通讯电路第四章 频谱仪软件设计与实现4.1系统软件框架图整个系统在软件设计上主要为数据采集、FFT 变换和串口数据发送，其中重点部分是ADC 模数转换和FFT 变换。