摘???要

本系統是以STM32F407為核心，主要采用FIFO來做高速緩存。高速信號先通過AD采樣，然后先將采樣后的數據給FIFO先緩存處理，然后再通過STM32F407進行加Blackman預處理，再做1024個點FFT進行頻譜分析，最后將數據顯示在LCD12864上，以便進行人機交互！該系統可實現任意波形信號的頻譜顯示，以及可以自動尋找各諧波分量的幅值，頻率以及相位并進行8位有效數據顯示。

系統設計任務

一、任務

設計并制作一個高速頻譜分析儀。

1系統方案

本系統由前置匹配放大電路，AD采樣電路，高速FIFO緩存電路，以及液晶顯示電路組成。其中高速數據緩存電路，以及高精度的顯示數據是本次設計的難點！下面分別論證這幾個模塊的選擇。? ? ? ? ? ? ? ? ?

1.1測量方法的論證與選擇

1.1.1? MCU處理器的比較與選擇

做DSP處理主要是要考慮到運算速度。

在處理器的選擇上通常可以采用8位，16位或者32位的MCU，但由于在處理信號的過程中，通常會遇到快速傅里葉FFT算法，所以會遇到大量的浮點運算，而且一個浮點數要占用四個字節，故在處理過程中要占用大量的內存，同時浮點運算速度比較慢，所以采用普通的MCU在一定時間內難以完成，所以綜合考慮運算速度和內存大小等因素。

本系統采用32位的STM32F407做為核心DSP處理器件，該芯片具有1MB的Flash閃存空間，196KB的SRAM空間，并且時鐘頻率達到了168MHz。程序運行于168MHz主頻時，通過Flash取指令（不是內部SRAM），通過Dhrysone測試得到210DMIPS，主要采用ART加速器，可以最大限度的消除Flash存儲器較慢從而限制MCU性能的發揮，這可以使CPU可以在所有工作頻率下近乎零等待的方式，從Flash中運行程序。還有就是STM32F407帶有硬件FPU處理單元，這樣可以不用軟件算法實現浮點運算，而直接采用硬件來實現浮點運算，這樣就減小了編譯器生成的代碼量，并且使用更方便，浮點數只占用四個字節就可以表示的數據范圍很大，因此不用擔心計算后的數據溢出問題！進一步提高運算速度。

1.1.2 采樣方法比較與選擇

方案一 通過DDS集成芯片產生一個頻率穩定度和精度相當高的方波信號作為時鐘信號。

可選用直接數字頻率合成（DDS）芯片AD9851，AD9851為ADI公司生產的高性能器件，可與單片機通過簡單的接口完成串行或者并行通信。可完成外部輸入頻率控制字與芯片內部頻率相位控制字之間的轉換，可以非常容易的通過頻率控制字調整輸出頻率，以及精確的調整輸出信號的相位，輸出信號幅值穩定，但是由于DDS控制也需要占用一部分MCU的IO口資源，并且DDS在價格上成本有點高。

方案二 直接由MCU產生PWM波做為采樣時鐘信號。

可直接由STM32F407產生的PWM波，可實現頻率，占空比可調的方波。最快IO口翻轉速度可以達到84MHz，可以輕松實現想要的采樣頻率。由于輸出的是3.3V的幅值的電壓，與外圍芯片相連，需要經過電平轉換芯片轉成5V，才能作為外圍芯片的時鐘信號。

方案三 采樣時鐘信號選用Linear公司生產的LTC1799提供。

LTC1799是一款精準型振蕩器，使用方便。它采用2.7V到5.5V單電源工作，并提供了軌至軌、占空比為50%的方波輸出。CMOS輸出驅動器確保了快速上升/下降時間和軌至軌開關操作。頻率設定通過電阻器調節，電阻阻值在 的范圍內變化，以選擇處于100KHz到33MHz之間的任何一個頻率。三態DIV輸入負責決定驅動輸出之前對主時鐘進行1、10或100分頻。

綜合上述方案，選擇方案三，采用一片LTC1799來產生15MHz的采樣時鐘信號。

1.1.3?? AD采樣芯片的論證與選擇

方案一 采用MCU內部ADC對采樣信號進行采樣。

STM32F407內部最大轉換速率為7.2MSPS，而且被采樣信號的幅值只能在0V到3.3V之間，能測得動態范圍小，難以滿足要求。

方案二 采用TI公司的8位TLC5510A作為AD采樣芯片。

TLC5510A是采用高速CMOS技術，8位的，最大轉換速率為20MSPS的AD轉換芯片。支持+5V電源供電，內部包含采樣保持電路，輸出帶有高阻態模式，以及帶有內部參考電阻。輸出數據在時鐘的下降沿有效，數據流水線結構導致了2.5個時鐘的延時。而且高速AD普遍價格比較昂貴，在滿足輸入信號在2V以上動態范圍，TI公司可供申請的高速AD芯片只有TLC5510A這一種。

綜合上述方案，選擇方案二，在精度要求不高場合，采用TLC5510A作為高速采樣芯片。??

1.1.4 高速數據緩存芯片的論證與選擇