一种智能自动增益控制的频谱分析仪的制作方法

本发明属于频谱分析技术领域，具体涉及一种用于任意信号频谱特性的测量、频谱特性的远程传输、频谱特性曲线显示的智能频谱分析仪。

背景技术：

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫兹以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。

随着世界通信技术的高速发展，信号种类与传输方式越加多样化，各种高精度的混合信号以及信号分析仪层出不穷，而频谱特性是通信信号的关键指标之一。频谱分析仪逐渐应用于通信业务发展的各个领域，但是现有频谱分析仪存在任意信号的频谱特性测量、不同被测信号输入信号幅度要求不同、普通频谱特性测试仪测量频率带宽过窄、频谱特性远程传输以及频谱特性显示等问题。

(一)解决的技术问题

为了解决任意信号的频谱特性测量、不同被测信号输入信号幅度要求不同、普通频谱特性测试仪测量频率带宽过窄、频谱特性远程传输以及频谱特性显示等问题，本发明提供了一种智能自动增益控制的频谱分析仪，以stm32f103为主核心处理器，msp430单片机为用户界面处理器，采用12位高精度模数转化ad模块在stm32的控制下扫描被测信号，配合stm32取点绘出信号曲线并进行快速傅里叶变换最终获得频谱特性图；利用智能自动增益控制实现信号源幅度可调，以满足不同被测信号的输入要求；利用4g模块实现与手机端通信，在手机端实时查看被测信号的频谱特性图；通过用户界面，能够在本地端显示频谱特性图和各频段数据。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种智能自动增益控制的频谱分析仪，包括任意波信号发生器、msp430电路、stm32单片机电路、信号衰减电路、agc自动增益电路、峰值检波电路、用户界面电路和4g模块电路；所述任意信号发生器与信号衰减电路相连；所述msp430电路与用户界面电路、stm32单片机电路相连；所述stm32单片机电路与agc自动增益电路、峰值检波电路、4g模块电路相连；所述agc自动增益电路与信号衰减电路、峰值检波电路相连。

根据本发明的一实施例，所述msp430电路包括用户界面模块以及串口通信模块组成，串口通信模块的输入与stm32串口的输出相连。

根据本发明的一实施例，所述stm32电路包括adc模块、串口通信模块、4g模块；adc模块的输入口一路与信号衰减电路的输出口相连，一路与峰值检波模块的输出口相连，串口通信模块通路1的输出口与msp430模块的输入口相连，4g模块与stm32的串口通信模块通路2的输出口相连。

根据本发明的一实施例，所述信号衰减电路包括反相运放op07。

根据本发明的一实施例，所述agc自动增益电路包括vca810程控放大器、缓冲器opa820和反相运放op07。

根据本发明的一实施例，所述峰值检波电路包括ad623峰值检波电路。

根据本发明的一实施例，所述用户界面电路包括2.8寸tft-lcd。

根据本发明的一实施例，所述4g模块电路包括sim7100c4g通信模块。

(三)有益效果

本发明的有益效果：一种智能自动增益控制的频谱分析仪，采用stm32f103为核心控制器，以agc自动增益芯片为核心器件，并与幅度衰减电路组合，在stm32的控制下，调节输入信号的幅度直至移动至测量门限内，以满足不同被测信号的输入要求；利用ad623峰值检波器检波器获取被测信号输出的峰值信息，从而控制agc自动增益模块控制输入信号放大倍数；利用加法器将输入信号和ad623采集的峰值相加，获得一个全部在x轴上方的输入信号；利用stm32的16位ad逐点采集出输入信号的各点数据，然后将这组波形数据进行快速傅里叶变换(fft)，最终获得所需要的频谱信息；在msp430搭载的液晶屏上制作一用户界面，在本地端描绘频谱图；利用4g模块实现与手机端通信，在手机端获取被测信号的频谱图和数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明结构原理框图。

图2是stm32系统设计框图。

图3是stm32软件系统设计流程图。

图4是msp430单片机软件系统设计流程图。

图5是手机端app程序流程图。

图6是手机端app界面示意图。

图7是agc自动增益电路示意图。

图8是峰值检波电路示意图。

图9是加法器电路示意图。

图10是本发明系统实现框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1，一种智能自动增益控制的频谱分析仪，包括任意波信号发生器、msp430电路、stm32单片机电路、信号衰减电路、agc自动增益电路、峰值检波电路、用户界面电路和4g模块电路；所述任意信号发生器与信号衰减电路相连；所述msp430电路与用户界面电路、stm32单片机电路相连；所述stm32单片机电路与agc自动增益电路、峰值检波电路、4g模块电路相连；所述agc自动增益电路与信号衰减电路、峰值检波电路相连。

结合图2，stm32系统设计框图，包括主控制器stm32f103、峰值检波模块、agc自动增益模块、adc模块、快速傅里叶变换模块、串口通信模块、4g模块。在整个系统中，主控制器stm32f103起着关键作用，控制agc自动增益模块的增益值，采集信号信息、用户界面更新等功能均由它来完成。stm32f103系统的设计主要分为六个模块：第一个是峰值检波模块，通过给峰值检波模读取出信号的峰值，再利用adc模块采集模拟量转换成数字量，以便agc增益模块控制输出增益；第二个是agc自动增益模块，通过adc采集回来的峰值和一定的衰减倍数，计算出输入信号幅度，再通过dac输出电压来切换agc模块增益，使输入电压控制在0～3.3v内，便于adc模块采集输入信号图形；第三个是adc模块，利用stm32f103片内集成的a/d转换器逐点读取输入信号的各点幅值，通过存储在数组中，在stm32内部绘制出一副输入信号的x-y波形图；第四个是快速傅里叶变换模块，利用ad采集到的信号数据图形进行快速傅里叶变换，在一周期内去2000个点做fft，最终计算出基波与各次谐波的频率和幅值信息；第五个是串口通信模块，利用stm32f103的串口1将fft出的结果逐个发送给msp430单片机，以便msp430单片机的用户界面显示；第六个是4g模块，负责与手机端通信，发送单片机内采集的所有数据到安卓app内。

图3是stm32软件系统设计流程图。stm32f103需要完成片内adc和串口的初始化，然后进行峰值判断：本发明频谱分析仪设有4个峰值区间，当检测峰值在0-3.3mv时，控制agc增益为1000；当检测峰值在3.3-33mv时，控制agc增益为100；当检测峰值在33-333mv时，控制agc增益为10；当检测峰值在0.333-3.3v时，控制增益为1，使输入信号的幅值可供adc采集；然后通过ad采集输入信号幅值与时间信息，进行快速傅里叶变换，获得所需要的频谱图信息；最后通过串口和4g模块，将有用信息逐个发送至msp430单片机端和安卓app端。

图4是msp430单片机软件系统设计流程图。msp430单片机的主要任务是作为用户界面和接受stm32单片机传输的频谱图信息。由于频率信息是由stm32的串口1发出的，因此msp430单片机需要先初始化串口模块；为显示用户界面，我们还需要初始化lcd液晶模块；同时程序循环串口接受stm32发送的频谱图信息，当按键选择频谱图界面时，通过接收到的频率和幅度信息绘制频谱图；当按键选择数据界面时，则直接显示接收到的数据。

图5是手机端app程序流程图。手机端负责获取被测信号频谱图和数据，当stm32单片机处理完一组信号后，通过4g模块发送至网络云端，手机端app规律性地从云端上更新数据，当成功读取到新的数据时，app端下载该数据到存储端并开始解析数据，在设置好的坐标轴界面上显示频谱特性图，同时在频谱图下方显示基波与各次谐波的频率和幅度信息，同时app会自动截图保存该被测器件的频谱图和各种数据，方便后续查看。

图6是手机端app界面示意图。上半部分区域为坐标轴，用来显示被测信号的频谱图。当手机接收到一系列数据后，进行数据解析，一个频率点对应一个幅度信息，通过在坐标区域描点连线，显示被测信号的频谱图；下方为数据显示界面，用来显示频谱图中详细的各波频率与幅度信息。

图7是agc自动增益电路示意图。主芯片采用vca810，能够实现-40db～40db的线性增益控制，vca810芯片后接运放芯片opa820，起缓冲作用，提高带负载能力。由于vca810的增益控制电压为0v到-2v，因此dac输出的电压需经过反相才可接入vca810的3脚，因此选用运放芯片op07构成反相运放，增强放大能力。

图8是峰值检波电路示意图。峰值检波芯片选择ad623，其输出为线性响应直流电压，转换增益为7.5v/v均方根值，但经过实测发现，其转换增益达不到7.5v/vrms。为保证精度，通过多点曲线拟合来对采集到stm32电路内部的幅度值进行数据处理，经大量样本数据曲线拟合后的函数为y＝1.795x+0.0794，其中x代表输入到检波电路信号的峰峰值，y代表实测输出信号的幅值，当实测输出信号幅值即y值被采集到stm32内部后，只需根据函数反求出x即可求得输入信号的峰峰值。

图9是加法器电路示意图，主芯片是两块op07运放芯片，第一块op07芯片主要功能是为实现两路输入，即agc增益输出的采集处理后的信号和峰值检波电路采集的峰值电压，两路输入将输入信号完全移至x轴下方，同时第二块op07芯片主要是作反向同比例运放功能，使加法器相加的信号从负半轴移至正半轴，最终实现整个输入信号在x轴上方的目的，便于adc采集。

图10是一种智能自动增益控制的频谱分析仪的系统实现框图。其主要工作原理如下：信号源产生一个随机信号输送给功率放大器，输入的电流信号经过一个3倍衰减电路控制峰峰值在0-3.3v，用峰值检波模块ad623获取峰值信息，并经stm32f103片内ad采集后，判断输入信号在哪个区间内，stm32根据信号幅度区间进行agc增益控制。由于增益控制后，输入信号峰峰值被控制到333mv～3.3v中，在此区间内adc采集较为精准，将增益后的输入信号和峰值相加，是输入信号移动至0～330mv到0～3.3v便于adc采集，然后通过stm32进行fft变换获得频谱图，并通过串口和4g发送至用户端。msp430用户端通过串口接收频谱图信息后，通过lcd和按键制作人机界面，按键选择显示模式，可选择观看频谱图或频谱信息。安卓用户端从云平台下载4g上传的信息，通过一定数据解析，在坐标轴上绘制频谱图，下方显示详细信息，并实时保存。

综上所述，本发明实施例，智能自动增益控制的频谱分析仪，采用stm32f103为核心控制器，以agc自动增益芯片为核心器件，并与幅度衰减电路组合，在stm32的控制下，调节输入信号的幅度直至移动至测量门限内，以满足不同被测信号的输入要求；利用ad623峰值检波器检波器获取被测信号输出的峰值信息，从而控制agc自动增益模块控制输入信号放大倍数；利用加法器将输入信号和ad623采集的峰值相加，获得一个全部在x轴上方的输入信号；利用stm32的16位ad逐点采集出输入信号的各点数据，然后将这组波形数据进行快速傅里叶变换(fft)，最终获得所需要的频谱信息；在msp430搭载的液晶屏上制作一用户界面，在本地端描绘频谱图；利用4g模块实现与手机端通信，在手机端获取被测信号的频谱图和数据。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。