基于stm32f4的高速信号频谱分析仪的设计与实现

摘   要

本系统是以STM32F407为核心，主要采用FIFO来做高速缓存。高速信号先通过AD采样，然后先将采样后的数据给FIFO先缓存处理，然后再通过STM32F407进行加Blackman预处理，再做1024个点FFT进行频谱分析，最后将数据显示在LCD12864上，以便进行人机交互！该系统可实现任意波形信号的频谱显示，以及可以自动寻找各谐波分量的幅值，频率以及相位并进行8位有效数据显示。

系统设计任务

设计并制作一个高速频谱分析仪。

本系统由前置匹配放大电路，AD采样电路，高速FIFO缓存电路，以及液晶显示电路组成。其中高速数据缓存电路，以及高精度的显示数据是本次设计的难点！下面分别论证这几个模块的选择。                 

1.1.1  MCU处理器的比较与选择

做DSP处理主要是要考虑到运算速度。

在处理器的选择上通常可以采用8位，16位或者32位的MCU，但由于在处理信号的过程中，通常会遇到快速傅里叶FFT算法，所以会遇到大量的浮点运算，而且一个浮点数要占用四个字节，故在处理过程中要占用大量的内存，同时浮点运算速度比较慢，所以采用普通的MCU在一定时间内难以完成，所以综合考虑运算速度和内存大小等因素。

本系统采用32位的STM32F407做为核心DSP处理器件，该芯片具有1MB的Flash闪存空间，196KB的SRAM空间，并且时钟频率达到了168MHz。程序运行于168MHz主频时，通过Flash取指令（不是内部SRAM），通过Dhrysone测试得到210DMIPS，主要采用ART加速器，可以最大限度的消除Flash存储器较慢从而限制MCU性能的发挥，这可以使CPU可以在所有工作频率下近乎零等待的方式，从Flash中运行程序。还有就是STM32F407带有硬件FPU处理单元，这样可以不用软件算法实现浮点运算，而直接采用硬件来实现浮点运算，这样就减小了编译器生成的代码量，并且使用更方便，浮点数只占用四个字节就可以表示的数据范围很大，因此不用担心计算后的数据溢出问题！进一步提高运算速度。

1.1.2 采样方法比较与选择

方案一 通过DDS集成芯片产生一个频率稳定度和精度相当高的方波信号作为时钟信号。

可选用直接数字频率合成（DDS）芯片AD9851，AD9851为ADI公司生产的高性能器件，可与单片机通过简单的接口完成串行或者并行通信。可完成外部输入频率控制字与芯片内部频率相位控制字之间的转换，可以非常容易的通过频率控制字调整输出频率，以及精确的调整输出信号的相位，输出信号幅值稳定，但是由于DDS控制也需要占用一部分MCU的IO口资源，并且DDS在价格上成本有点高。

方案二 直接由MCU产生PWM波做为采样时钟信号。

可直接由STM32F407产生的PWM波，可实现频率，占空比可调的方波。最快IO口翻转速度可以达到84MHz，可以轻松实现想要的采样频率。由于输出的是3.3V的幅值的电压，与外围芯片相连，需要经过电平转换芯片转成5V，才能作为外围芯片的时钟信号。

方案三 采样时钟信号选用Linear公司生产的LTC1799提供。

LTC1799是一款精准型振荡器，使用方便。它采用2.7V到5.5V单电源工作，并提供了轨至轨、占空比为50%的方波输出。CMOS输出驱动器确保了快速上升/下降时间和轨至轨开关操作。频率设定通过电阻器调节，电阻阻值在 的范围内变化，以选择处于100KHz到33MHz之间的任何一个频率。三态DIV输入负责决定驱动输出之前对主时钟进行1、10或100分频。

综合上述方案，选择方案三，采用一片LTC1799来产生15MHz的采样时钟信号。

1.1.3   AD采样芯片的论证与选择

方案一 采用MCU内部ADC对采样信号进行采样。

STM32F407内部最大转换速率为7.2MSPS，而且被采样信号的幅值只能在0V到3.3V之间，能测得动态范围小，难以满足要求。

方案二 采用TI公司的8位TLC5510A作为AD采样芯片。

TLC5510A是采用高速CMOS技术，8位的，最大转换速率为20MSPS的AD转换芯片。支持+5V电源供电，内部包含采样保持电路，输出带有高阻态模式，以及带有内部参考电阻。输出数据在时钟的下降沿有效，数据流水线结构导致了2.5个时钟的延时。而且高速AD普遍价格比较昂贵，在满足输入信号在2V以上动态范围，TI公司可供申请的高速AD芯片只有TLC5510A这一种。

综合上述方案，选择方案二，在精度要求不高场合，采用TLC5510A作为高速采样芯片。