第一章 绪论
第一章 绪论
1.1
项目背景与课题研究意义
频谱分析仪是一种频域分析仪器，它用来观察、测量、记录各种物理现象并以图形方式显示频率与幅度关系。频谱分析仪直观的效果有助于被测对象的理解，因此它得到了广泛的应用，成为目前电子测量中重要工具之一。
在过去的一个世纪里，仪器技术得到了不断的发展，大致经历了模拟仪器、数字仪器和智能仪器三个阶段。其共同特点是“信号采集与控制、信号分析与处理、结果的表达与输出”三大功能模块，而这些模块只能由厂家来定义、制造，那样就使得仪器功能固定、灵活性差。在当今的技术发展条件下，将计算机与仪器结合进行测试操作，如将仪器的信号分析与处理、结果表达与输出放到计算机上完成，或将仪器的三大功能模块全部放到计算机上来完成，是完全可能的，在这种需求的背景条件下诞生了虚拟仪器。虚拟仪器这不仅增强了传统仪器的功能，而且还大大地降低了成本，方便了我们的测试人员。
虚拟数字频谱仪是在当今电子科学技术与计算机技术快速发展的大背景下，充分发挥计算机的强大功能，使软件发挥更加重要的作用，促进了虚拟频谱仪的快速发展。在这样的情况下，频谱分析仪向着高效、高速、高精度和高可靠性以及自动化、智能化、模块化和网络化的方向发展，并且越来越能突显其灵活性和方便性，并满足多数用户的需求。
虚拟频谱仪技术兼顾了虚拟仪器的优势，因此它具有虚拟仪器的灵活性和便捷性，因此在构建虚拟频谱仪的时候就显得十分方便。如果相关硬件平台结合软件开发的虚拟频谱仪与实验室的物理环境结合起来，就能更好的提高教学质量，并增强学生的动手能力与工程实践能力。
因此，正式基于此种目的而开发虚拟频谱仪的。本课题研究的虚拟频谱分析仪隶属于教育部立项的教学研究项目中一个重要组成部分。该项目的目的是为了研制和开发一个通用的测试平台，以此来改善当前国内高校电工、电子信息类专业的教学实验条件，建设一个现代化的教学实验环境[1]，以此提高实验课程的效果和学生的动手能力。
目前，在各大高校的实验课程中需要使用大量的实验仪器和设备（如示波器、
1
电子科技大学硕士学位论文
函数发生器，频谱分析仪等等）来满足教学要求，并且同时发现在综合性实验过程中需要使用到的多种不同测试、测量仪器不仅在价格上昂贵、体积庞大，而且连接也相对比较麻烦，对于提高教学质量来说是一大瓶颈。因此能够开发出一套通用综合性实验平台，使之用于多种实验教学，将大大节约实验经费，并产生可观的经济效益，而且对教学也将提供一定的便利性。本文正是在这种背景下设计了这个通用测试平台的一个重要组成部分-虚拟数字频谱仪。
通用测试平台上设计的频谱分析仪作为实验环节的一个重要组成部分，不仅要让学生懂得简单的软件设计，最重要的是需要培养他们的动手能力，发挥测试平台的二次开发能力，让学生更深入的学习和研究虚拟频谱分析仪，最终能够到达满意的教学成果。
1.2国内外发展状况
上世纪70年代，频谱分析仪快速的发展，出现了百花齐放的局面。如HP公司的HP8553B、8554B、8554A/8552R/141T系列等，Tek公司的7L14，日本TR公司的TR411O/4113系列等。到了80年代后，随着计算机、微处理器的发展和医用，频谱仪向智能化、自动化方向发展。如：HP8568A、8566D，Tek496P、494P等。从上世纪末到本世纪初，频谱分析仪的发展速度更加迅猛，在技术、工艺等方面都达到了很高的水平，如HP8562A/B、70000系列的分析仪都有上百个功能，HP8562集小型化与高性能为一体，使其具有更快、更精确的测量能力。而且HP70000系列是模块化的频谱仪，它还可以随时增加或替换模块，以此实现频段扩展或指标的提升等。而国内由于在这方面起步比较晚，因此与国外相比还有一定的差距，不过随着国内学习国外技术步伐的加快，国内已有一些企业或研究所做出了不错的成绩，如中电41所，前锋电器等[2]。
NI(National Instrument)美国国家仪器公司，它是虚拟仪器行业的领军企业，它也是虚拟仪器的创造者和倡导者。NI创造了基于革新性的测试测量技术，为客户提供了测量与自动化的最佳方案。NI的虚拟频谱分析仪通过数据采集卡并配合专门用于虚拟仪器设计的软件-LabVIEW设计出相应的频谱分析仪。NI公司的虚拟频谱分析仪在很多方面都具有领先地位。另外荷兰TiePie Engineering公司的HS801型虚拟仪器是五合一（任意波形发生器、数字存储示波器、瞬态波形记录仪、频谱分析仪、数字表）虚拟综合测试仪，美国Link公司推出DSO-2902、DSO2904和DSO-25216三款DSO系列混合信号数字存储示波器（三合一，存储示波器+逻辑分
2
第一章 绪论
析仪+FFT频谱分析仪），处于世界领先水平。
在虚拟频谱分析仪领域中，国内近年的发展也相当的迅速，虽然与国际的先进水平还有一定的差距，正是这样才更加表明了我国的产品发展的空间还很大，还有潜力，需要我们来进一步的开发和利用。国内从90年代起一些大学就相继的开展了虚拟仪器或频谱仪的研究工作，如电子科技大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、中国科技大学等，在研制虚拟仪器的厂商有北京炜煌科技公司、北京普源科技公司等。但是我们国家在这方面的研究仍然是属于起步阶段，这样就需要我们来开设这门课程，引导更多的同学进入到这个领域，努力开发我们自己的平台[3]。
有关专家还指出，在今后几年中，数据系统的设计和开发还将面临一个非常重要的时期，无论是开发高速通信系统，还是其它的计算机系统等，用户都会越来越倾向于使用一台示波器和一台频谱分析仪，来同时从不同的角度全方位地捕获和分析系统中的信号，从而解决来源于不同角度的问题。因此频谱分析仪对于测试方面来说是非常重要的一方面。
1.3 通用测试平台简介
本课题设计的频谱分析仪主要包含了数据采集和频谱分析两大模块，并结合并口总线（或USB转并口总线）的通信技术和虚拟仪器技术，组成了所设计的虚拟频谱分析仪。另外这个通用测试平台还包含了虚拟示波器、虚拟信号源、虚拟逻辑分析仪和虚拟频率计等。其中数据采集模块和信号源模块均为双路，每一路都可以单独工作，也可以同时工作，并且各路的控制参数也可以独立调控。外部设备与硬件测试平台之间通过一个自定义的62芯插座进行连接，该插座的每个引脚的功能都做了定义，因此所有实验电路板都是通过这个插座来进行通信的，最后与平台连接测试。
外部设备虚拟信号源面板信号源模块硬件平台信号调理数据采集模块EPP通信模块或USB转EPP接口虚拟示波器面板其它面板逻辑控制电路PC机
图1－1 虚拟测试平台的总体结构
3
电子科技大学硕士学位论文
这个通用测试平台主要通过并口或USB转并口的通信方式与计算机连接，实现对平台的控制以及数据传输。而计算机则主要用于虚拟面板的控制，并通过面板上设计的软件控件来发送控制信号以及显示测试的相关波形和结果，实现测试的目的。
图1-1是测试平台的总体结构，首先通过逻辑控制电路向信号源模块发送控制信号，使得信号源模块产生信号送入到下一级的外部设备当中，另外也可以将这组信号直接连接到本测试平台的采集通道上，实现下级的采集功能。当信号进入到采集通道后，首先进入到信号调理电路，对信号进行增益控制，然后再将调理后的信号送入到数据采集模块当中，然后对信号进行采集存储并通过通信模块进行传送。信号调理、采集存储、通信这三部分都是通过逻辑控制电路来控制，最终完成我们的测试工作。
而基于此通用测试平台设计频谱分析仪主要由模拟输入模块、调理电路模块（衰减、放大器）、A/D转换模块、数字存储模块、通信模块、FFT模块以及显示模块组成。
高阻衰减模拟输入K1A1K2A2ADCRAM接口前端放大器低阻衰减后端放大器12位，40M64k计算机频谱显示触发CLKWRRD量程选择时钟采集频率选择分频器触发控制逻辑地址计数器
图 1-2 虚拟频谱仪组成框图
如图1-2所示，这就是虚拟频谱仪的组成框图。将模拟信号输入到增益控制
电路中对信号进行衰减或放大，之后将处理过的才能够送入到A/D转化器中；另外通过FPGA的控制将A/D转换后的数据存储到RAM当中，之后通过接口将数据传送到计算机中做FFT的变换，最后在显示器上显示频谱。
1.4 课题的主要技术指标
本课题设计的虚拟数字频谱分析仪它的相关技术指标如下所示：
4
第一章 绪论
输入信号电平范围：50mV-20V 频率范围 ：10Hz~1MHz 灵敏度 ：10mV 最小频率分辨率 ：3Hz 动态范围 ：-50dB~20dB
1.5课题的主要工作
本课题基于此设计的虚拟频谱仪主要做了以下几个方面的工作. 硬件部分：
? 采集A/D转换器的更换，由8bit的AD9288换成了12bit的AD9224 ? 更换相应部分的外围电路和相关芯片，使测试平台有更好的性能 ? 改进FPGA内部的逻辑关系
? 改进通道电路设计，尤其是采集部分接地的处理，减少系统干扰和噪声 ? USB转并口的硬件电路设计 软件部分：
? 在LabVIEW平台下重新编写调试虚拟示波器 ? 在LabVIEW平台下编写调试虚拟频谱分析仪 ? USB转并口通信方式的软件设计
? 并与其它同学一起编写、调试信号源、频率计、交流电压表、R、L、C
参数测试、逻辑分析仪、温度检测等。
本文中虚拟频谱仪的设计介绍了硬件采集部分的增益电路、差分电路、AD转换电路以及FPGA内部控制电路来控制采集数据的读写以及存储。另外，对于FFT式的频谱仪主要是结合设计的频谱仪的相关参数来介绍采用的FFT算法，并根据此算法在LabVIEW平台下编写相关的采集、频谱分析模块的程序，最后对设计好虚拟频谱仪进行相关测试，观察结果并做出分析。
5