（电力电子与电力传动专业论文）基于fpga的多功能电子测量系统的研究与实现.pdf

东t 大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dm i c r o e l e c t r o n i c s w a v e f o r ms h o w i n g d d s s i g n a lg e n e r a t i n g l o g i ca n a l y z i n ga n ds p e c t r u ma n a l y z i n gb a s e do nd i g i t a ls i g n a l p r o c e s sh a sb e e na p p l i e di na l lk i n d so ff i e l d s a n di ta c t sa sa ni m p o r t a n tr o l e bu tt h e a d v a n c e dp r i c e so ft h e s ei n s t r u m e n t sh a sb e i n gb a f f l e dt h e i rw i d e s p r e a du s e a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n ta n dp o p u l i z a t i o ns i t u a t i o no fe l e c t r o n i cm e a s u r i n g i n s t r u m e n t c o m b i n e dw i t hf p g a sa d v a n t a g e so fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t h ea r t i c l e s t u d i e das i g n a lp r o c e s s i n gs o f t w a r es y s t e mo fa na u x i l i a r ye l e c t r o n i cm e a s u r i n g i n s t r u m e n tw i t ht h ef u n c t i o n so fw a v e f o r ms h o w i n g d d ss i g n a lg e n e r a t i n g l o g i c a n a l y z i n ga n ds p e c t r u ma n a l y z i n gb a s e do nf p g a t h ei n s t r u m e n tc a nb eu s e da s v e r i f i c a t i o na n dt e s ti m p l e m e n to fa m sd e s i g n t oo b s e r v et h ew a v eo fa n a l o g d i g i t a l o rs p e c t r a ls i g n a la n dg e n e r a t ed d ss i g n a l t h es y s t e mw a sr e a l i z e dw i t hal o wc o s t h i g h s p e e dc h i pc y c l o n ei io fa l t e r a w h i c hh a v eg o o dt e c h n o l o g yc o m p a t i b i l i t y w i t hd em e t h o do fp r o g r a m m a b l ed i g i t a l l o g i cs o f t w a r ed e s i g n t h es y s t e mb e c o m e se a s i e rt od e v e l o pa n de a s i e rt o f u n c t i o n e x p a n d t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ed e s i g ni n c l u d i n g v e r i l o gh d ld e s i g nb a s e do n f p g a i p c o r e d a t aa c q u i s i t i o n d a t as t o r a g e d a t ap r o c e s s i n ga n dt h er t do fd a t a w a v e t h er e s e a r c h i n go fa b o v et e c h n o l o g yh a st h e o r yr e s e a r c hv a l u ea n da l s oh a s u t i l i t yv a l u ei ns c i e n t i f i ce x p e r i m e n ta n dp r o d u c t sd e s i g n t h ea i mo ft h es y s t e md e s i g n i sl o wr e s o u r c e sa n dh i g hp e r f o r m a n c e i nt h ep r o c e s so fd e s i g n s c i e n t i f i ca p pr o a c h a n dt h ed e s i g np h i l o s o p h yo fs p a c e s p e e db a l a n c ew a sa d o p t e dt o s a v ea llk i n d so f f p g ar e s o u r c e sa sm a n ya sp o s s i b l eo nt h ep r e m i s eo fk e e p i n go r i g i n a lf u n c t i o no ft h e f o u rf u n c t i o n a lm o d u l e s t h e d e s i g nm a d e i t s p o s s i b l e t or e a l i z eal o w c o s t s u p p l e m e n t a r ye l e c t r o n i cm e a s u r i n gi n s t r u m e n t k e y w o r d s e l e c t r o n i cm e a s u r i n gi n s t r u m e n t f p g a d d s l o g i ca n a l y s i s f r e q u e n c y a n a l y s i s i i j 东1 二业大学硕十学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德 本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以 标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 不包 含本人或其他用途使用过的成果 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的 论文 成果归广东工业大学所有 申清学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相 关责任 特此声明 指导教师签字 论文作者签字 争缯姐匕 刎7 年占月客日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早三百化 1 1 1 电子测量仪器的发展 电子测量仪器的演化与发展从总体上看沿着两条主线展开 一是从所采用的 技术上看 经历了从模拟仪器到数字化仪器的发展过程 二是从仪器结构和实现 形式上看 经历了从单台仪器到虚拟仪器的发展过程 这两条发展主线的技术基 础都是微电子技术 数字信号处理技术 计算机技术 并随着这些技术的发展以 及深层次的逐渐结合而发展 无论仪器最终如何发展 任何一台仪器测量系统都可概括为以下三个功能组 块 信号采集 信号分析与处理 结果表达与输 信号的表达对仪器的性能影 响不大 信号的采集速度却是影响仪器性能的一个重要原因 信号的采集速度主 要取决于a d c 的速度 高速的a d c 是决定未来测试仪器 特别是电了测试仪器发 展方向的重要因素 但高速a d c 的技术对一个国家整体技术水平 特别则 i c 技术 水平有着极大的依赖关系 目前这方面的技术几乎全被美国垄断 这一点对国内 仪器发展的定位有着不可忽视的影响 信号处理部分的数字化是仪器发展的必然选择 对测量对象进行数字信号处 理 可以扩大动态范围和提高测量精度 同时增强了仪器的稳定性 可靠性 灵 活性 信号处理技术的应用 也大大拓展了仪器的使乒h 范围 仪器的使用已涉及 到工农业生产 军事 航天等各个领域 数字信号处理技术的应用 大大拓展了 仪器的功能和仪器的使用范围 信号处理部分是发展最快 技术水平最高的领域 在相当大的程度上决定一个国家的仪器水平 是行业核心竞争力的集中体现 信号数字处理的实现途径主要有两种 一种是a d f p g a o rd s p d a 的形 式 一种是a d c p u 含操作系统 d a 的形式 两种结构各有优点 在运算能 力上 d s p 和c p u 是运行软件完成运算 而f p g a 则足直接以硬件方式执行算法 当对特定的运算进行分解 执行流水操作和并行运算后 其运算速度大大超过d s p 和c p u 在开发周期和可维护性上 c p u 最好 f p g a 次之 d s p 欠佳 采用d s p f p g a 或者是c p u 结构要针对不同的测量对象丽定 通常 f p g a 0 1 d s p 主要针对运 算复杂 实时性要求高 但程序不太大 任务相对单一的场合 如频谱分析仪 逻辑分析仪 信号分析仪等 c p u 主要针对运算复杂 需要大量的数据和程序存储 器 实时性要求适中 需要对测量数据进行复杂的分析和处理的场合上 如网络 分析仪 生化分析仪等 东t 业大学硕l 学位论文 虚拟仪器通常采用c p u 结构 把信号的分析与处理 结果的表达与输出放到计 算机上来完成 或在计算机上插上数据采集卡 把仪器的三个部分全部放到计算 机上来实现 突破了传统仪器在数据处理 表达 存储等方面的限制 但虚拟仪 器以计算机作为其中的一部分 不方便携带 高端虚拟仪器的价格也非常昂贵 独立仪器把信号采集 处理和结果输出三部分放在一个独立的机箱 有操作面 板 信号输入输出端口 还有各种通信接口等 检测结果输出方式有数字 指针 式表头 图形窗口等 可能还有打印输出 近几年来 独立仪器通常采用f p g a o r d s p 结构 从信息处理技术的发展上看 以f p g a 为基础的软件硬件化是其重要 的发展方向 1 1 2 用f p f i h 实现数字信号处理的优势 本 青对传统d s p 技术与现代d s p 技术作一个一般性的比较 这里的传统d s p 技术主要是指以d s p 处理器为核心或作为主要处理单元的d s p 应用系统及其开发 技术 现代d s p 技术主要指的是第二种形式中的可编程大规模集成电路实现 即使 用f p g a 技术 二者的不同之处主要表现在以下几个方面 乜1 1 系统工作速度不同 与f p g a 相比 d s p 处理器最大的劣势之一是处理速度比较慢 尽管在硬件结 构上作了大量的改进 如增加硬件乘法累加模块和加入各种专用的加速协处理器 等 但其速度瓶颈来自于基于c p u 的指令顺序执行的基本工作模式 下面以目前完成乘法累加速度最快的t 1 的c 6 x 系列d s p 处理器 最常用的d s p 处理器和f p g a 完成同一算法进行比较结果见表卜l 1 表1 1f p g a 与d s p 处理器运算速度的比较 t a b l e l 1c a l c u l a t i o ns p e e dc o m p a r i s o i lo ff p g aa n dd s p 功能实现 t i t 工a 1 t e r a 资源需求 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2t m s 3 2 0 c 6 4l4 e p l s l 2 0 阶数 2 2 42 2 42 2 4 乘法累力i l 器数 l8 最大 2 2 4 2 8 个d s p 模块 内部时钟速度 1 0 0 m l l z6 0 0 m h z2 5 0 m h z 算出结果时钟周期数 2 2 42 81 每秒乘加运算次数 o 1 g m a c s4 8 g m a c s 5 6 g m a c s 由表1 1 可见 e p l 5 1 2 0 型的f p g a 的乘 j l j 速度最快 每秒为5 6 千兆次乘加 m a c 2 第一章绪论 操作 是t m s 3 2 0 c 6 4 1 4 的1 2 倍 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的5 6 0 倍 而这时f p g a 中采用的内 部时钟速度还不到t m s 3 2 0 c 6 4 1 4 的1 2 此外还应看到两点 1 t m s 3 2 0 c 6 4 1 4 和t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 中的m a c 模块的极限分别是8 和l 而 e p i s l 2 0 中的2 2 4 个类似于m a c 的d s p 模块数却非极限 因为f p g a 以中有数以万 计的逻辑宏单元可供随意组合成各种类型的硬件电路功能模块 2 t m s 3 2 0 c 6 4 1 4 与e p i s l 2 0 的单片售价相当 但在实用d s p 系统中 单片 c 6 x 几乎无法完成实际的运算任务 而f p g a 却常能构成单片系统 2 系统结构可重构性彳 同 虽然加载不同的软件程序能够改变d s p 处理器的功能 但这种相刈 于a s i c 系 统来说十分灵活的功能并没有什么实用价值 因为仅仅通过对d s p 处理器加载不 同的程序代码 并不能有效地改变d s p 系统的诸如吞吐量 数据总线宽度 d s p 加速模块的数量与功能 调制模式 实时加密算法 模块d s p 系统 处理频段带 宽 通信协议 动态范围 制式等技术参数和技术方案 这是因为这一切必须完 全改变硬件结构 硬件功能和硬件组成才能实现 也就是说除非d s p 系统具有硬 件可重构性 即结构有可重配置性才能实现上述变化 由于不同的配置文件下载于f p g a 后 将能获得不同的硬件结构和硬件功能 因此基于f p g a 的d s p 系统具有良好的系统结构可重配置特性 3 系统知识产权自主性不同 由于基于f p g a 的d s p 系统主要是纯硬件系统设计 可选的硬件实现方式很多 因此系统具有较好的自主知识产权属性 基于d s p 处理器的系统则没有这种属性 4 掌握开发技术的难易程度不同 掌握传统d s p 技术的闲难主要来自以下几个方面 1 不同的开发日标需要选择不同的d s p 处理器 详细了解d s p 器件结构对 证确地设计d s p 硬件系统至关霞要 特别需要多片d s p 联用时更是如此 对器件 硬件结构的熟悉和关注能力需要相当的硬件开发经验 这显然增加了学列的难度 2 不同的d s p 处理器结构将对应不同的汇编语言 以及不同的编程方法和 编程技巧 不同的d s p 处理器结构 不同的汇编语言及其对应的不同的d s p 系统 结构 都将对应不同的仿真开发工具以及编译软件 3 由于必须直接使用计算机语言来捕述和实现复杂的算法 且描述的方法 广东t l k 大学硕 l 学位论文 与d s p 结构相关 因而设计过程缺乏直观性和一般性 5 系统成本 功耗 集成度与可靠性不同 由于c p u 的灵活性 对于低速 低吞吐量和大量复杂运算的情况 d s p 处理器 方案的系统成本要比f p g a 系统低得多 而且此方案具有不可替代性 然而在实用系统中 以上的情况是比较少的 大多数的情况中不但需要尽可 能高速 高性能的d s p 处理器 而且多片d s p 连用的情况也十分普遍 在这种多 片d s p 系统中 每一片d s p 处理器都必须配置完整的辅助器件才能正常工作 其 中包括诸如数据r a m 程序r a m 和r o m f i f o 双口r a m 即f p g a c p l d 辅助接口 器件等等 这种系统的成本将成倍提高自不必说 功耗 集成度与可靠性等性能 指标也都将不同程度地下降 基于f p g a 的d s p 系统的优势主要源于可以形成单片 系统 目前拥有大规模逻辑资源的f p g a 完全能容纳本来必须由多片d s p 处理器构 成的系统 从而使得单片d s p 系统在各项技术指标大幅度提高的前提下 成本和 功耗大幅度下降 集成度与可靠性则大幅度提高 现在 随着微电子技术的发展 采用现场可编程门阵列 f p g a 进行数字信号 处理发展迅速 采用现场可编程器件不仅加速了产品上市时间 还可满足现在和 下一代便携式设计所需要的成本 性能 尺寸等方面的要求 并提供系统级支持 随着f p g a 技术这些年的发展 很多公司 研究人员详细的研究了基于f p g a 的f f t 处理器 并且提出了一些基于不同算法的处理器结构 t l t e r a 公司也相继推出了 多个版本的f f ti p c o r e 本文也正是基于f p g a 芯片 设计了一个包含a 1 t e r af f t i p c o r e 的多功能频谱分析系统 1 1 3 几种主要的电子测量仪器 频率合成器是电子系统的心脏 是决定电子系统性能的关键设备 频率合成 技术从3 0 年代发展到现在 经历了直接频率合成 锁相频率合成和直接数字频率 合成 d d s 三个阶段 随着基于数字集成电路的迅猛发展 集成合成器和数字计 算技术频率合成方案大量涌现 早在1 9 7 8 年 由美国w a v e t e k 公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样 频率为5 m h z 可以形成2 5 6 点 存储长度 波形数据 垂直分辨率为8 b i t 主要用 于振动 医疗等领域的第一代信号源 经过将近3 0 年的发展 伴随蓿电子元器件 电路 及生产设备的高集成化 波形发生器的性能有了飞速的提高 目前我国己 4 第一章绪论 经开始研制波形发生器 并取得了可喜的成果 但总的米说 我国波形发生器还 没有形成真正的产业 就目前国内的成熟产品来看 多为一些p c 仪器捅卡 独立 的仪器很少 并且我国目前在波形发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较 大的差距 因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫 b 逻辑分析仪最早被构思为 数字示波器 由多线示波器的设计思路发展而成 自1 9 7 3 年美国i i p 公司和b i o m a t i o n 公司几乎同时研制出了第一代逻辑分析仪 迄今为止已经经历了四代 第一代产品速度低 功能简单 具有基本触发功能和 简单显示方式 第二代产品在触发功能和显示方式上有较大改进 以适应微机软 硬件分析的需要 第三代产品实现微机化 将定时分析和状态分析结合在一起 便 于软 硬件交互分析 功能日臻完善 第四代产品构成功能完善的仪器系统 不 仅包含了早期的逻辑分析仪功能 还扩充了嵌入式开发系统的功能 逻辑分析仪在高速硬件逻辑测试和软件状态分析中才h 当重要 但是前台式逻辑 分析仪的价格比较昂贵 使得它不能普遍应用于教学和科研实验 目前逻辑分析 仪的市场主要由外国产品占主导地位 核心技术掌握在如美国的a g i l e n t t e t r o n ix 等大公司手中 我国在8 0 年代初 开始逻辑分析仪方面的研制 生产 此外 还制定了相应的围家标准 出版了该仪器的原理与应用专著 但目前 国 内主要以应用为主 生产的部分逻辑分析仪由于功能单一 性能指标低 操作不 方便灵活 能投入实际运行的并不多 对信号的分析是电子测量中的一项重要内容 它包括时域分析 频域分析和 调制域分析 国外各种形式的频谱测试仪发展很快 自3 0 年代末发明阴极射线管 以来 就出现了以扫频方式显示信号的频谱分析仪 4 0 年代的频谱分析仪是以扫 频的射频接收机为基础的实验室成果 5 0 年代全6 0 年代真正有了台式频谱分析 仪 目前国外的频谱分析仪都实现了高分辨率 大动态范围 高灵敏度 c t 数字 显示 乃至数字存储和高可靠性发展 在国内 频谱仪一直 卜要应用在军事 国防及科研等高层而 是一个神秘 高档的仪器 随着通信的发展和普及 在科教 科研 生产等方面对频普分析仪 需求越来越迫切 应用也更普及 频谱仪成为一个必需的 射频万用表 的时代 已到来 目前 我国有些研究所正在对其中的关键技术进行研究 而且也有一些 低档次的频谱测试仪器出品 但高档的测试仪器仍需使用国外的昂贵产品 广东下业大学硕十学位论文 1 2 研究意义 针对电子测量仪器技术发展的情况和价格特点 结合用f p g a 进行数字信号处 理的优势 本设计主要研究用f p g a 来实现一种具有示波 d d s 信号发生 逻辑分析 和频谱分析基本功能的辅助性独立测量仪器的软件系统 这种仪器可以作为数字 模拟混合电路测试和验证的工具 用来观察模拟信号波形 数字信号时序波形 模拟信号的幅度频谱 也可以用来产生d d s 信号 系统的设计以a l t e r a 低成本芯片 c y c l o n ei i 来实现 该j 卷片具有成本低廉 功能扩展简单等特点 功能完善后的 测量仪器在实验室条件下可以作为昂贵的信号发生 分析仪器的替代者 系统在 设计过程中采用的关键技术包括 基于f p g a 并hi pc o r e 的v e r il o gh d l 设计 数据 采集 数据存储与数据处理 数据波形的实时显示以及功能模块的划分和集成 对这些技术的研究探讨不仅有理论研究价值 在科学实验和产品设计中同样具有 重要的实用价值 1 3 研究目标 本课题研究的基于f p g a 的d d s 逻辑分析 频谱分析系统是针对当前的示波 器 逻辑分析仪 频谱分析仪 信号发生器功能独立 价格昂贵的现状而设计的 是一种多功能数据采集 处理 显示系统 对该系统的设计研究主要有两个目标 1 功能目标 d d s 信号发生 逻辑分析和频潜分析模块功能的实现是本设计的核心 发计将 在详细分析d d s 逻辑分析和频谱分析技术的特点的前提下 达到以下功能设计目 标 1 d d s 信号合成方式的实现 2 逻辑分析的多方式触发 多频率采样 多通道和移动区域显示方式的实现 3 频谱分析数据采样 数据加绒 f f t 处理及其信号预处理运算和后运算 频 谱波形的v g a 显示的协同工作的模式与控制方式的实现 2 成本目标 1 设计中将使用基于f p g a 的单片d s p 系统来代替基于d s p 处理器的多片d s p 系统 这样能节省每一片d s p 处理器所必须的配置 其中包括诸如数据r a m 程序r a m 和r o m f i f o 双口r a m 和f p g a c p l d 辅助接口器件等 将能使得 6 第一章绪论 单片d s p 系统在各项技术指标大幅度提高的前提下 成木和功耗火幅度下 降 集成度与可靠性则大幅度提高 2 设计将重点研究可编程逻辑器件软件设计中自顶向下的设计思想和科学的 模块划分 设计和集成的方法 在保持原四种信号处理功能不变的前提下集 成系统 尽量多的节约各种f p g a 资源 以低资源 高性能的f p g a 设计为目 标 为实现设计系统的小型化和低成本化做必要的技术准备 1 4 研究内容 从实现的功能来看 课题主要研究包括了实现方法 信号处理功能模块设计 信号采集控制 信号输出控制和数据存储等5 个方面的内容 1 实现方式 基于f p g a 的嵌入式设计方法是本设计的最大特点 设计首先研究了f p g a 的 性能特点 在硬件上 从f p g aj 卷片的分类和基本结构开始 研究了a 1 t e r ac y c l o n e i i 系列器件的特点和本设计所采用的e p 2 c 3 5 f 系列c y c l o n ei i 芯片的结构与配置 方式 在软件设计上 研究了可编程逻辑器件软件设计的流程和采用v e r il o gh d l 语言进行可编程逻辑器件软件设计的优势 2 信号处理功能模块设计 示波 d d s 信号发生 逻辑分析和频谱分析模块功能的实现足本设计的核心 在分析了相关理论基础的前提下 探讨了d d s 的信号合成方法与实现 逻辑分析 的多方式触发 多频率采样 多通道和移动区域显示的控制方法与实现 频谱分 析系统设计中 详细分析了用于实现快速傅里叶变换的f f ti pc o r e 的兆功能函 数 处理器引擎结构与模块的接口信号定义 重点研究了频谱分析数据采样 数 据加载 f f t 处理及其信号预处理运算和后运算 频谱波形的v g a 显示的协同工作 的模式与控制方式的实现 3 信号采集控制 本设计的信号采集采用了模拟输入和数字输入两种方式 其中 模拟信号是 示波模块与频谱分析模块的输入信号 数字信号是逻辑分析模块的输入信号 模 拟信号的采集是用状态机来实现对a d 转换器t l c 5 4 9 的驱动时钟和使能控制 数 字信号采集模块的设计采用多方式触发和多采样频率的方式 触发方式包括高 低 7 广东t q k 大学硕十学何论文 电平触发 单边沿升 降触发 双边沿触发和立即触发 采样频率时钟的可选择从 1 0 0 0 h z 到1 0 0 m h z 的1 6 种频率 4 信号输出控制 系统的输出包括d d s 的d a 输出和波形信号的v g a 输出两部分 d a 输出使 用状态机来实现对d a 转换器t l c 5 6 2 0 的时钟和d a 模式的控制 v g a 输出 在v g a 的驱动控制上 针对v g a 显示的工业标准频率 设计中用行 场两个扫描计数器 进行计数器来同时控制行 场同步信号输出 进行图像显示 在v g a 波形图像显 示控制上 以栅格背景划分屏幕来观察波形显示时间 将屏幕分成1 6 个大格和8 0 个小格 每个小格的显示时问是0 2 m s 大格i m s 一屏的显示时间是1 6 m s 逻辑 分析的波形显示还将屏幕垂直平分为1 0 个区域 以实现多通道显示 5 数据存储 由于f p g a 上提供的存储资源有限 开发的程序较大 同时系统还有大量数 据存储的功能需求 本设计研究了c y c l o n ei if p g a 存储结构的特点 结合v g a 水甲分辨率为6 4 0 像素的特点 采用了移动显示区域的方法 节约了r a m 资源 专门设计了数据加载模块米对r a m 进行存取 提高了程序的可移植性和电路综合 的效果 1 5 论文的总体结构 本文总共分为六章 其中第一章绪论主要介绍本文的研究背景 选题意义 研究目标和研究内容 第二章中给出了与研究相关的理论综述 第三章介绍了可 编程逻辑器件设计的j 卷片特点 选择 配置及其软件设计流程 第四章详细描述 了d d s 逻辑分析 频谱分析二三个独立的功能子系统的设计 仿真与系统的集成 第五章对集成系统进行功能演示 并对集成系统资源节约情况进行了统计 最后 是对本文所做研究工作的总结和对进一步研究的展望 8 第二章相关理论 第二章相关理论 2 1 直接数字频率合成技术 频率合成是指以一个或多个参考频率源为基准 在某一频段内 综合产生并 输出多个工作频率点的过程 基于此原理制成的频率源为频率合成器 直接数字 合成 d d s 由于具有极高的频率分辨率 极快的变频速度 变频相位连续 相噪 较低 易于功能扩展和全数字化便于集成等优点 在短短的二十多年里得到了飞 速的发展和广泛应用 d d s 的基本结构包括 相位累加器 正弦查值表r o m 数模转换器d a c 及低通 滤波器等 随1 我们以正弦信号的产生为例详细说明具有调频调相功能的直接数字 频率合成技术的原理 图2 1 所示是一个基本的d d s 电路的工作原理框图 它是以数控振荡器的方 式产生频率 相位可控制的正弦波 电路一般包括基准时钟 频率累加器 相位 累加器 幅度 相位转换电路 d a 转换器和低通滤波器l p f 组成 其具体工作过 程如下 相位累加器 厂 弋 相位步进量 频率控制字 图2 1d d s 原理框图 f i g 2 1p rif i c i p l ob l o c k 每来一个时钟脉冲f n 位加法器将频率控制数据x 与累加器存储器输出的 累加相位数据相加 把相加后的结果y 送至累加寄存器的输入端 累加寄存器一 方面将在上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端 以 使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据x 相加 而另一方面累加器又 将累加值作为取样地址值送入幅度 相位转换电路 r o m 根据这个地址值输出相应 9 广 东丁q k 大学硕十学位论文 的波形数据 最后经d a 转换器和低通滤波器将波形数据转换成所需要的模拟波 形 低通滤波器用于衰减和滤除不需要的取样分最以便输出频谱纯净的正弦波 相位累加器在基准h t 1 1 的作用下 进行线性相位累加 由于相位累加器的字长有 限 当相位累加器加到一定值后 其输出将会溢出 这样波形存储器的地址就会 循环一次 既意味着输出波形循环一刷 完成一个周期性的动作 这个周期就是 d d s 合成信号的一个频率周期 累加器的溢出频率就是d d s 输出的信号频率 故改 变频率字即相位增量 就可以改变相位累加器的溢出时间 在时钟频率小变的条 件下就可以改变输出频率 下面讨论建立d d s 数出频率与其它一些参数之间的关系 根据图2 1 有 f m 一一参考时钟频率 t m 1 f 小 f 川一一输出频率 t 1 f 叭 f 广一频率控制字 用x 表示 即相位增量 设累加器的长度是l 位 控制r o m 产生一整周期正弦波输出是m 位 l 位中 的最高m 位 m l 显然 2 相当于3 6 0 0 2 万r a d 因而m 位中的m s b 最高有 效位 相当于1 8 0 0 万r a d m 位中的l s b 最低有效位 相当于3 6 0 0 2 27 2 2 同样 l 位中的l s b 相当于27 2 r a d 这个2 万 2 r a d 就是最小的相位增量 于 是 f 的x 值对应的相位增量就是x 2 万 2 r a d 这样 完成 整周期的正弦波 输出需要经过27 7 xx27 7 2 r a d 个参考时钟周期 即2 x 个周期 因此 v 输出频率为f o u t 2 石ae 膻 其中x 为频率字的值 可以看出当x 1 时 输出频率最小 二 f 即d d s 系统的最小输出频率为f m i 等 r m 也就是d d s 系统的频率分辨率 么 对于d d s 系统从波形存储器中读出数据的过程 我们可以将其看作是对存储在 存储器内波形的在此采样 一个周期内查表的点数即为采样的点数 这样受奈奎 斯特定理的限制 d d s 系统在一个周期内至少要取样两点 才能重新合成输出波形 f 因此最大输出频率为f o u 等 这也说明了为什么在d d s 中参考时钟频率总是比基 z 波输出频率高的原因 1 0 第二章相关理论 2 2 逻辑分析仪 2 2 1 逻辑分析仪基本原理 逻辑分析仪主要有两个基本功能 一是用便于观察的形式显示出数字系统的 运行情况 相当于扩展了人们的视野 起一个逻辑显示器的作用 二是对系统进 行分析和故障诊断阳 逻辑分析仪的简化框图如图2 2 所示 主要由数据获取和数据显示两大部分组 成 前者捕获并存储所要观察分析的数据 后者用多种形式显示这些数据 其中 数据输入部分将各通道的输入变换成相应的数据流 触发产生是逻辑分析仪的关 键部分 它的作用足在被分析的数据流中搜索特定的数据字 一旦发现这个数字 便产生触发信号去控制和存储有效数据 它决定了所观察的数据窗口在数据流中 的位置 数据显示部分则将存储器中的有效数据以多种显示方式显示出来 整个 系统的运行 郜是在外部时钟 同步 或内部时钟 异步 的作用下实现的 内部时 外部时 数据获取部分 图2 2 逻辑分析仪简化框图 0 1 2 2 2 逻辑分析仪主要技术指标 1 逻辑分析仪的通道数 在需要逻辑分析仪的地方 要对一个系统进行全面 地分析 就应当把所有应当观测的信号全部引入到逻辑分析仪当中 这样逻辑分 析仪的通道数至少应当是 被测系统字长 被测系统控制总线数 时钟线数 2 定时采样速率 在定时采样分析时 要有足够的定时分辨率 就应当有足 广东t i k 大学硕十学位论文 够高的定时分析采样速率 3 逻辑分析仪的每通道的内存长度 逻辑分析仪的内存是用于存储它所采样 的数据 以便用于对比 分析和转换 4 触发条件是衡量逻辑分析仪优劣的一个重要指标 良好的触发条件是逻辑 分析仪准确捕捉故障点的保证 针对不同的需要 设置电平 不同的触发条件 1 2 3 快速傅里叶 f f t 算法 2 3 1f f t 的基本原理 傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式 离散傅立叶变换 d f t 是连续傅立叶变换在离散系统中的表示形式 快速傅立叶变换 f f t 是 快速计算d f t 的一利一高效方法 f f t 的出现使d f t 的运算大火简化 运算时f u 缩短 一至三个数量级之多 从而使d f t 得到广泛的应用 引 f f t 模拟信号x t 的连续时间傅立叶变换 或称频谱 可表示为 x 缈 e x 户巾d t 2 1 x t 经抽样后变为x n t x n t 的傅立叶变换可以表示为 x 尼 x n w p v k 2 2 n o 式中 嘭 e 2 州 称为蝶形因子 f f t 算法利用了w 内在的对称性和周期性 从而加快了运算的速度 图2 3 所示为n 8 时蝶形因子w 的对称性和周期性 孵一 时 畔 孵 孵 嚼4 喈 棚 j 1 皑 切 蜉 时 图2 3w s 的周期性与对称性 f i g 2 3w n sp e r i o d i c i t ya n ds e m m e t r y 1 2 第二章相关理论 对称性 周期性 w i 制 讣娩 w w 2 3 2 4 从图中可以看出 f f t 算法将长序列的d f t 分解为短序列的d f t n 点的d f t 先分解为2 个n 2 点的d f t 每个n 2 点的d f t 又分解为n 4 点的d f t 等等 因 此 基数为2 的算法的最小变换 或称蝶形 是2 点d f t 2 3 2f f t 算法分类 一般而言 f f t 算法可以分为频率 时间抽取 d i f f l d i t f f t 分裂基 g o o d t h o m a s 等 第一种算法的应用最普遍 3 1 频率抽取 d i f f f t 频率抽取f f t 算法是在频域里把序列分解为奇 偶的形式来进行计算 频率 抽取f f t 算法首先将输入序列按照自然顺序分为前半部分和后半部分 偶序列 x 0 x 1 x 2 x n 2 一1 奇序列 x n 2 x n 2 1 x n 2 2 x n 1 因此 x n 的n 点f f t 可以表示为 一l 一l x 庀 x 聆职础 崂 x 行腭 n o j v 2 n l2 1 x 玎 一1 x 玲 n 2 f f 2 5 n o n i 2 1 k 为偶数时 工 2 尼 l 船 x z 2 粥 k o 1 n 2 一1 n o n 2 1 k 为奇数时 x 2 k 1 x 门 一x 门 2 h 崂 k o l n 2 1 因为 w 焉础 公 2 驾涉 z x n x n n 2 z 船 x 玎 一x n n 2 则有 x 2 k 少 孵 2 6 h 0 n 2 1 x 2 k 1 z 以 蝶蝶础 2 7 打 o 以同样的方式 就町以得到n 4 点的d f t 重复这个过程 就可使n 点的d f t 用一 组2 点的d f t 来计算 设n 2 则共有m 级运算 d i f 蝶形运算如图2 4 所示 广东t 业大学硕十学位论文 a a b 图2 4 基2d i ff f t 碟形运算 f i g 2 4b a s e 一2d i ff f ta c e t a b u li f o r mo p e r a t i o n 设蝶形的输入分别为a 和b 输出分别为a 和b 则有 a a b 2 8 b 口一6 蝶 2 9 由于n 2 是一个偶数 因此可以将n 点d f t 的输出再分解为偶部与奇部 这 样就进一步将n 点d f t 分解为两个n 4 点的d f t 了 这两个n 4 点d f t 的输入也 是将n 2 点d f t 的输入上 下对半分开后通过蝶形运算而形成的 图2 5 是按照 2 6 与2 7 式的第一次分解 x n 的前一半与后一半按 2 8 与 2 9 式通过蝶形运算形成a 和b 对a 作n 2 点d f t 得到x k 的偶部 同样对b 作n 点d f t 得到x k 的奇部 这样一个n 2 m 点的d f t 通过m 次分解后 最后总是 剩下全部是2 点的d f t 了 2 点d f t 实际上只有加 减运算 然而为了比较 也为 了统一运算的结构 仍然用一个系数为蝶的蝶形运算来表示 图2 6 显示了一个 n 8 的完整的按频率抽取的f f t 信号流程图 x l o 1 l x 2 l 1 3 l 1 4 l i s i x 1 6 j x f f l 4 点 d f t 4 点 d f t 4 o l 4 2 l 4 4 l 6 j 4 1 1 l 1 3 l 1 5 l 7 l 图2 5 按频率抽取将8 点d f t 分解为两个4 点d f t 1 4 第二章相关理论 x 0 1 x o l x 2 j x d j x 4 i x i s j x 8 1 x f f l x o l 4 l 1 2 j 1 6 i x o l 1 5 l x 3 l x 7 l 图2 68 点d i ff f t 的信g 流程图 f i g 2 7s i g n a lf l o wg r a p ho f8 一p o i n td i ff f t d i t 和d i f 两种f f t 算法的区别是旋转因子噼出现的位置不同 d i t 中孵在 输入端 而d i f 中噼在输出端 除此之外 两种方法是一样的 在此不再敷述 2 其他f f t 算法 比较常用的f f t 算法为基2 f f t 算法 蝶形的输入和输出均为2 个 如果采用 更高基的f f t 则f f t 的运算速度可以进一步加快 但当基数大于4 时f f t 的运算 速度提高不多 因此基2 和基4 是两种最常用的方法 在基4 f f t 中 蝶形的输入 和输出均为4 个 一般而言 采用基4 f f t 算法 要比基z f f t 算法的速度提高2 0 左右 此外还有分裂基算法 g o o d t h o m a sf f t w f t a z f f t 线性调频z 变换算法等 新的算法 对一些特殊的情况 可采用特殊的算法 如输入中含有大量的零或输 出仅取少量几个点 可以采用f f t 的p r u n i n g 算法等 2 4 本章小结 本章阐述了信号发生的基本原理和d d s 的基本结构 分析了逻辑分析仪的基 本结构和技术指标 频谱分析的和f f t 算法的基本原理和分类 为后续章节d d s 逻辑分析系统和频谱分析系统的设计提供了理论依据 广东t 业大学硕十学位论文 第三章可编程逻辑器件及其软件设计 可编程逻辑器件 p l d p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e 是厂家作为一种通用型器 件生产的半定制电路 用户可以通过对器件编程实现使之实现所需要的逻辑功能 它的应用和发展彳 仅简化了电路设计 降低了成本 提高了系统的可靠性 而且 给数字系统的设计方式带来了革命性的变化 3 1 现场可编程门阵列 f p g a 3 1 1f p g a 的分类 f p g a 的发展非常迅速 形成了各种彳 同的结构 不同厂家 不同型号的f p g a 其结构有各自的特色 但就其基本结构来分析 大致有以下几种分类方法 1 按逻辑功能块的大小分类 可编程逻辑块足f p g a 的基本逻辑构造单元 按照逻辑功能块的大小不同 可 将f p g a 分为细粒度结构和粗粒度结构两类 细粒度f p g a 的逻辑功能块一般较小 其优点是功能块的资源可以完全利用 缺点是完成复杂的逻辑功能需要大量的连线和开关 因而速度慢 粗粒度f p g a 的 逻辑功能块规模大 功能强 完成复杂逻辑只需较少的功能块和内部连线 因而 能获得较好的性能 缺点是功能块的资源有时不能充分被利用 2 按互连结构分类 根据f p g a 内部的连线结构不同 可将其分为分段互连型和连续互连型两类 分段互连型f p g a 中有不同长度的多种金属线 各金属线段之间通过开关矩阵 或反熔丝编程连接 这种连线结构走线灵活 但在设计完成前无法预测 设计修 改将引起延时变化 连续互连型f p g a 是利用相同长度的金属线贯穿于整个芯片来 实现逻辑功能块之间的互连 这种连线结构的布线延时是固定和可预测的 3 按编程特性分类 根据采用的开关元件的不同 f p g a 可分为一次编程型和可重复编程型两类 一次编程型f p g a 采用反熔丝开关元件 具有体积小 集成度高 互连线特性阻抗 低 寄生电容小及可获得较高的速度等优点 但它只能一次编程 一旦将设计数 1 6 第三章可编程逻辑器件及j 软件设计 据写入 签片后 就不能再修改设计 因此比较适合于定型产品及大批量应用 可重复编程型f p g a 采用g r a m 开关元件或快闪e p r o m 控制的开关元件 每次重 新加电 f p g a 都要重新装入配置数据 其突出优点就是可反复编程 系统上电时 给f p g a 加载不同的配置数据 即可令其完成不同的硬件功能 这种配置的改变甚 至可以在系统的运行中进行 实现系统功能的动态重构 n 3 1 2f p g a 的基本结构 f p g a 一般由三种可编程电路和一个用于存放编程数据的s r a m 组成 这三种可 编程电路是 可编程逻辑块c l b c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k 输入输出模块i o b i 0b l o c k 和互连资源i r i n t e r c o n n e c tr e s o u r c e 其基本结构如图3 1 所示 可编程逻辑块是实现逻辑功能的基本单元 它们通常规则地排列成一个阵 列 可编程输入 输出模块主要完成j 卷片上的逻辑与外部封装脚的接口 可编程互 连资源包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关 它们将各个c l b 之间