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1、基于DSP的简易频谱仪设计方案指导老师：姚振东班级：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 FFTAb
2、stractThis 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 las
3、t,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 abou
4、t 2MHz.Whats 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73. 1相关开发工具73.2频谱仪硬件设计73.2.1 系统设计方案73.2.2 电源83.2.3 滤波器103.2.4 ADC信号采集113.2.5 异步串行口13第四章 频谱仪软件设计与实现144.1系统软件框架图144.2 FFT实现14
5、4.2.1 FFT原理144.4.2 FFT软件实现框图164.3异步串行口17第五章 频谱仪结果分析185.1结果分析185.2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
6、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
7、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。滤波器取样电路ADC存储器DSP串口显示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
8、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
9、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
10、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18V，IO引脚电压(DVdd)为33 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、33 V、18 V。实际常用的直流电压一般为5V
11、或者更高，因此必须采用电压转换芯片，将高电压转换成33 V和18 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。基于以上设计要求，我们选用TI公司配合C5000系列DSP专门设计的LDO电压转换芯片TPS73HD318，它将输入的5 V电源转换为33 V和18 V，最大电流750 MA。其构成的电源管理电路如图3-2所示。图3-2 TMS320VC5402核心电源电
12、路为保证DSP电源管理电路的输入为5V并为其他外围电路提供5V电源输出，考虑系统的电流需求将远小于500mA。所以可选用三端稳压芯片L7805对输入电压进行稳压，同时也扩展的电源的输入范围使得本系统的可靠电源输入范围在7-15V。同时使用SPX2815稳压芯片将稳压得到的5V电源转化为3.3V为其他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止电源反接的作用，D3为电源指示灯。图3-3 外围器件供电电路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
13、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
14、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
15、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50，则该电路直接可用；如果是较高阻抗，则电路中50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MAX
16、3232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。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。ADC数据采集需要将即时释放总线，也就是要完成一次信号采集时释放一次总线。应该如图4-1为系统软件框架图。初始化AD采集N是否完成YFFT变换USART显示图4-1 频谱仪软件整体框架图4.2 FFT实现4.2.1 FFT原理如图4-2所示，为8点FFT蝶形运算。图4-2 8
17、点FFT蝶形运算流图由FFT运算流图可见，每一级都由N/2个蝶形运算构成，N点FFT共有级蝶形运算，FFT的每一级（列）计算都是由N个复数据经N/2个蝶形运算变成了另外N个复数据。任何两个节点i和j的节点变量进行蝶算后，其结果为下一列的i，j两点的节点变量，而和其他节点变量无关。因此，如果所有的的值已预先置存，那末，除了运算的工作单元之外，只用N寄存器就够了。因为每个蝶算是由两个寄存器中取出数据，而计算结果仍存在此二寄存器中，该寄存单元中原存的内容，一经取用即可抹去，不影响以后的计算，每列的N/2个蝶算全做完以后再开始下一列的蝶算。这样，N个寄存器分别存储了每列N个不同行的节点变量。进行蝶形运
18、算的两节点相距的距离及的变化规律：以上述8点FFT为例，第一列蝶形运算只有一种类型:系数，参加运算的两个数据点间距为1。第二列有两种类型的蝶形运算：系数分别为,参加蝶形运算的两个数据点的间距等于2。第三列有4种类型的蝶形运算：系数分别是,参加蝶形运算的两个数据点的间距等于4。可见，每一列的蝶形类型比前一列增加一倍，参加蝶形运算的两个数据点的间距也增大一倍，最后一列系数用得最多，为4个，即,而前一列只用到它偶序号的那一半，即，第一列只有一个系数，即。上诉结论可以推广到N的一般情况，规律是第一列只有一种类型的蝶形运算，系数是,以后每列的蝶形类型，比前一列增加一倍，到第是N/2个蝶形类型，系数是，共
19、N/2个。由后向前每推进一列，则用上述系数中偶数序号的那一半，例如第列的系数则为参加蝶形运算的两个数据点的间距，则是最末一级最大，其值为N/2,向前每推进一列，间距减少一半。符号说明：4.4.2 FFT软件实现框图如图4-3为FFT算法实现流程图。图4-2 FFT算法实现4.3异步串行口如图4-3为异步串口软件实现框图。串口初始化读数据Tx=1发送完成图4-3 串口通讯软件框图第五章 频谱仪结果分析5.1结果分析通过5.2总结本系统在设计原理上比较单一，功能也比较单一，仅仅完成了频谱分析，精度也有待提高。本系统的主要功能是研究频谱分析，可以在此基础上进一步扩展外设设备，例如添加监控单元，增加单
20、片机，可以完成单片机控制功能；进一步完成上位机，直接显示波形等。从整个设计上来看，也存在不少缺点：一是整个设计功能单一；二是精度不够，和市场上频谱分析仪设备还存在很大的差距，距离实用还有很大差距；三是，在DSP的掌握上，还存在很多问题，整个系统实用性比较差。另外，在PCB板布局方面也是设计上的弱项，需要再以后的学习中努力提高。参考文献1高西全 丁玉美. 数字信号处理（第三版）. 西安：西安电子科技大学出版社 2姚振东. DSP器件及应用. 西安：西安电子科技大学出版社3王丽. 模拟电子电路. 北京：人民邮电出版社4基于DSP的频谱分析仪的设计（ ）5黄根春. 电子设计教程 20076郑君里.信号与系统. 北京：高等教育出版社附录 附1 元器件清单明细名称数量封装备注TMS320VC54021自定义核心板SC16C5501DIPMAX32321晶振(1.8432M)1串口公头1DB/974HC1381SO-8LM78051SOT-263SPX28151SOT-2633.3V电阻若干电容若干插针若干1N4148若干磁珠若干附2 源代码#including
