一种基于FPGA技术的虚拟数字扫频仪的设计【精品论文】 .pdf

一种基于f p g a 技术的虚拟数字扫频仪的设计 高克芳 ( 福建农林大学机电学院福建福州 3 5 0 0 0 2 ) 摘要：对f p g a 技术的优点进行了简单的介绍，针对传统数字扫频仪设计中存在的问题，提出了一种设计数字扫频 仪的新方法：该方法采用a d 9 8 5 0 产生低频、高精度扫频信号，将f p g a 引入到硬制版的设计中，同时充分利用p c 机强大 的数据采集、处理、显示功能。实现了低频高精度数字扫描、被测网络幅频特性与相频特性的数字显示等。该系统的扫频 范围：o 0 1h z 1m h z ，步长：o 0 1h z 。该方法具有可靠性强、灵活性大、开发周期短，便于携带等特点，具有很强的实 用性，因而应用领域非常广泛。 关键词：f p g a ；p c 并行口；a d 9 8 5 0 ；虚拟数字扫频仪 中图分类号：t p 3 1 1文献标识码：b文章编号：1 0 0 4 3 7 3 x ( 2 0 0 5 ) 1 7 一0 3 8 一0 2 a d e s i g no fv i r t u a ld i g i t a ls c a n n e rb a s e do nf p g a g a 0 k e f a n g ( c o l l e g eo fm e c h a l l i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e “g ，f u j i a na g r i c a l t u r a lu n i v e r s i t y ，f u z h o u 3 5 0 0 0 2 ，c h i n a ) a b s t r a c t ：a d v a n t a g e so ff p c ；aa r ei n t r o d u c e ds i m p l y ，a i m i n ga tp r o b l e mi nd e s i g no fc o n v e n t i o n a ld i g i t a ls c a n n e r ，a d v a n c i n ga n e wa p p r o a c ho fd e s i g n i n gd i g i t a ls c a n n e r ：a d 9 8 5 0p r o d u c e sl o wf r e q u e n c y ，h i g hp r e c i s i o ns c a n i n gs i g n a li nt h ed e s i g n ，f p g ai s a p p l i e dt od e s i g no fp c b a sw e l l i th a sb e e np r o v e dt h a tu s i n gp e r s o n a lc o m p u t e rw i t hp o w e r f u lf u n c t i o no fd a t aa c q u i s i t i o na n dd a t a p r o c e s s i n gc a na c h i e v es c a ni nl o wf r e q u e n c yr a n g ea c c u r a t e l y ，d i g i t a ld i s p l a yo fa m p l i t u d ea n dp h a s eo fm e a s u r e ds y s t e m f r e q u e n c y r a n g e ：o 0 1h z 1m h z ，s t e p l e n g t h ：o 0 1 h z t h em e t h o dp o s s e s s e ss o m ep r o p e r t i e sw i t hh i g hr e l i a b i l i t y ，v e r s a t i l i t y ，as h o r to f e x p l o i t a t i o np e r i o da n dc a r r i e de a s i l y ，p o s s e s s i n gp r a c t i c a b i l i t ys t r o n g ，s ot h ev i r t u a ls c a n n e ri sa p p l i e dt ov e r s a t i l ef i e l de x t e n s i v e l y k e y w o r d s ：f p g a ；p cl p t ；a d 9 8 5 0 ；v i r t u a ld i g i t a ls c a n n e r 传统的数字扫频仪都是用单片机作为控制中心的频 率特性测试仪器，单片机既要控制数据的采集、处理，又要 完成测试结果的显示。虽然系统具有很大的灵活性，但软、 硬件设计和调试都较复杂，开发周期长，外围电路复杂。 f p g a n l ( 现场可编程门阵列) 的出现，使得大规模数字电 路的设计、调试完全通过软件编程的方法来实现，复杂的 数字电路可以封装在一块芯片中，大大简化了外围电路的 设计，同时，f p g a 可以根据现场的需要进行编程，使其具 有很大的灵活性。 数字扫频仪中的绝大部分电路，如：相位测量电路、移 位寄存器、外围电路时钟发生电路、a d 启动控制及转换数 据锁存和其他逻辑控制电路，完全可以用f p g a 来实现。用 x c 2 0 0 0 把这些功能模块集成在一块芯片中，同时充分利用 计算机强大的数据采集、处理能力实现低频系统的高精度 扫描，不仅可以降低电路设计的难度、减小电路的尺寸，而 且还增强了抗干扰性，使可靠性得到了进一步提高。 收稿日期：2 0 0 5 一0 5 1 2 3 8 1 虚拟数字扫频仪的设计的原理 我们研究和设计的虚拟数字扫频仪选用a d 9 8 5 0 。1 产 生扫频信号。a d 9 8 5 0 创新高速的d d s 内核，提供3 2 位频 率控制字，其输出频率厂与3 2 位频率控制字f r e q w o r d 的 关系为： 厂一掣凡考 j n3 27 、j 参亏 p c 机通过并口将3 2 位频率控制字传送给a d 9 8 5 0 ，使 a d 9 8 5 0 产生相应频率的正弦波扫描信号，以p c 机为控制 核心，通过a d 等接口电路、f p g a 器件实现扫频信号频 率的步进调整、被测网络幅频特性及相频特性的数显等。 总框图如图1 所示。 图1整体设计方框图 万方数据 1 1 幅频特性测量 扫频信号经功放后其振幅是确定的( 已预先设定为 u 参考) 。只需测出被测系统输出信号的幅度，即可算得其增 益。振幅测量主要由正峰值采样保持器、a d 转换器、 f p g a ，p c 机完成。当a d 的输出( d a t a a d ) 全为1 时，信 号的幅度超出了a d 的范围，增大衰减倍数5 j ，重新测量 被测系统输出信号的幅度。利用p c 机强大的数据采集、处 理能力计算、显示信号的幅频特性。被测信号的幅度可由 下列公式算出：以一掣xs ，u a d 。 1 2 相频特性的测量 相频特性的测量主要通过f p g a 器件来实现。f p g a 的功能框图如图2 所示。 数值为d a t a p h a s e ，则脉宽为： 丁一d a t a p h a s e 2 8 “7 9 丁参考 其值放在锁存器中，通过移位寄存器、并口送入计算机，由 计算机计算得相位差为： 妒= 等3 6 0 。 一d a t a p h a s e 2 “”“7 9 丁参考，3 6 0 。 = d a t a p h a s e 2 “”丁参考 堕盟罂羔鱼3 6 0 。n 3 2u o 些坚堕坠芸! 旦塑型3 6 0 。n 3 2v o 通过计算机屏幕显示幅频和相频特性曲线。 2 软件流程 图2f p g a 功能框图 宽带功放输出的正弦信号和被测网络的输出信号先 经整形电路变换为矩形波，送入图2 所示的测相逻辑电路 中。u i ，u o 分别为经整形后的被测网络的输入、输出信 号，具有相同的周期t 。p h a s e ，s i g n 为测相逻辑电路的输 出信号，s i g n 表示u o 是否超前u i ，( 低电平表示u o 超前， 高电平表示u o 滞后) ，测相逻辑电路的时序图如图3 所 示。p h a s e 的脉宽为丁，t 为扫描信号的周期。可见，只 7 1 要知道7 1 ，也就知道了相位差妒一等3 6 0 。 图3 测相逻辑电路时序图 脉宽丁测量电路：由分频器和2 4 位计数器构成，分 频器根据控制引脚f p o ，f p l 的值( 用s w i t c h f p 变量表示) 对参考时钟厶考进行分频，作为计数器的计数时钟，在 p h a s e 信号上升沿，c o u n t 开始计数，每来一个时钟脉 冲计数器值加1 ，在p h a s e 信号下降沿停止计数，若其计 p c 机通过并口向a d 9 8 5 0 发送控制 字，启动正峰值保持器，控制衰减器和 f p g a 中的分频器的倍率，读取振幅值和 脉宽值，并由p c 机完成幅频和相频特性 1 0 k 的计算和显示。软件流程图如图4 所示。 疔d mp c 行o m p c 图4系统软件框图 参考文献 1 高书莉，罗朝霞可编程逻辑设计技术 m 北京：人民邮 电出版社，2 0 0 1 2 a n a l o gd e v i c e s a d 9 8 5 0p r o d u c td a t a s h e e t 作者简介高克芳女，1 9 7 7 年出生，湖北荆州人，硕士，助教。主要从事信号检测与处理的教学与研究。 3 9 万方数据 一种基于fpga技术的虚拟数字扫频仪的设计一种基于fpga技术的虚拟数字扫频仪的设计 作者：高克芳， gao kefang 作者单位：福建农林大学,机电学院,福建,福州