基于FPGA控制的频率特性测试仪设计

1、北方工业大学 本科毕业设计（论文）开 题 报 告 书题 目： 基于FPGA控制的频率特性测试仪设计 指导教师 ： 武梦龙 专业班级： 电08A1 学 号： 姓 名： 齐 林 日 期： 2012年 2月 28 日 一、 选题的目的、意义课题背景：目的：电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。在电子技术蓬勃发展的今天，各种个样的电子产品出现在人们面前，它们品类繁多，功能各异，并在生活的各个领域为人们服务。在这些令人眼花缭乱的电子产品背后，越来越复杂的电路系统给电路设计工程师们带来了很大的难题。由于电路的复杂性，一个

2、电路工程师要想完全了解电路的内部结构往往要花费很多时间，而且在大多数情况下工程师们并不关心电路的具体结构，他们只关心电路的功能，换句话说就是给电路一个输入信号，要能确定他的输出（响应）是什么。在这种情况下，工程师们希望有一种专门的设备来测试电路在任意信号输入时的响应，于是，频率特性测量仪就产生了。意义：在50Hz25kHz频率范围内对被测网络进行频率特性测量，并把测得的数据显示在数码管上。电压放大倍数测量的误差不大于5%，相移测量误差不大于1。充分利用FPGA对数据的高速处理能力，使得系统设计高效、可靠。该系统具有实现简单、成本低廉、扫频范围利用率高等优点，该系统具有较强的实用价值和发展前景。

3、二、本体的基本内容1、设计方案工作原理 数字频率特性测量仪是用来测量二端口线性时不变网络频率特性的仪器。频率特性是一个网络对一系列正弦输入信号的响应特性。被测网络输入幅度为A，角频率为的正弦信号对于线性时不变网络，其稳态输出也是正弦信号，幅度为B，角频率为，相角差为。改变 的大小，可以得到一系列的输入和输出数据，其中，幅频特性A()和相频特性()统称为频率特性。频率特性测量仪中的扫频信号源为被测网络提供激励，根据测量要求，需产生一系列频率精度高、转换速度快、步进小、相位可控、频率转换时相位保持连续的正弦波。2、总体系统设计 系统功能结构图如下：信号发生器模块幅度相位测量模块显示电路控制及数据处

4、理模块本次设计主要包括七个模块，它们分别为FPGA模块、键盘输入模块、D/A转换模块、A/D转换模块、相位测量整形电路模块、按钮和指示灯模块、显示电路模块，下面将简要介绍一下各个模块的组成和在整个系统中所起的作用。FPGA模块指的是本次设计选择的可编程期器件，它是Altera公司生产的EP1K100QC208-3，编程语言为VHDL，运行环境为MAX+plus。FPGA模块作为整个系统的中央处理器模块，它将完成所有算法，并协调各个模块正常工作，实现频率特性测量仪的功能。键盘输入模块是以一个4*4键盘为核心的外围电路，我们可以通过键盘在不同情况下输入相关数值，控制DA转换器输出不同频率的正弦波。

5、D/A转换模块是以八位数模转换芯片DAC0800为核心的数模转换电路，它和FPGA共同组成一个DDS数字信号发生器，可以发出不同频率的正弦波，为被测网络提供输入信号。A/D转换模块主要由一个八位快速模数转换芯片TLC0820和一个幅值检测电路组成，实现对被测网络输出的正弦波幅值的测量。相位测量整形电路的作用是把输入和输出被测网络的两路正弦波进行整形，以方波的形式输出到FPGA中，FPGA会根据这两路方波的相位关系计算出与之对应的两路正弦波的相位关系。按钮的功能主要是选择模式和选择要输入的数据，指示灯的作用是在操作时指示用户当前的操作状态。显示电路由四个四位数码管和两个三八译码器（74LS138

6、）组成，其中，一个数码管显示键盘输入的数值，一个数码管显示信号发生器的输出频率，另外两个分别显示被测网络的放大倍数和相移。不同湿度均衡控制系统按功能划分主要分为三个部分及时间显示系统、湿度控制系统和工作模式系统。3、软件设计 软件部分主要由五部分组成，他们分别是输入部分（shuru模块）、控制部分一（ckongzhi模块）、控制部分二（ckongzhiyi模块）、信号发生器部分（fsq模块）、测量部分（celiang模块）。这五部分的数据相互交流，相互控制。根据FPGA与Verilog HDL的特性，建图如下：根据FPGA的硬件特点使用Verilog HDL语言的IP核建立各个功能模块，并编辑

7、相关的驱动程序。仿真软件选用Quartus或者Modelsim。4、设计的重点与难点1）对FPGA和Verilog HDL语言的掌握，如果熟练掌握它们，做本次任务将会有很多便利，并且在设计上也会少走很多弯路。2）把握设计主题，并设计出与预期目标对应的系统框架，这可以算作本次设计任务的重点之一，它是本次设计的依托，很多功能都是以此为平台来实现的。可以说它的好坏关系到本次设计的成败。3）系统硬件仿真。一个作品的好与坏并不完全由其所实现的性能来决定，再好的设计也得能够通过硬件来实现才能转化为现实的作品。三 、完成期限和主要措施设计计划共用时16周，具体安排如下：第 1 周 在老师的指导下查阅资料，并

8、确定毕业设计题目。第 2 周 搜集核心芯片以及配套开发工具相关资料。第 3 周 根据所查到的资料，确定毕业设计的大致思路。第 4 周 整理资料，撰写开题报告，并进行开题答辩。第 5 周 整理好系统思路，完成程序架构。第 6 周 进行硬件电路设计，完善电路。第 7 周 进行硬件电路设计，完善电路。第 8 周 进行硬件电路设计，完善电路第 9 周 建立整体程序架构，进行程序编写第10周 程序控制部分进行编写。第11周 程序控制部分进行编写。第12周 程序控制部分进行编写。第13周 电路绘图，PCB制版第14周 完成全部电路设计，将程序与硬件结合，运行程序。第15周 整理设计资料，并进行汇总。第16

9、周 撰写论文，准备答辩材料。四、预期达到的目标1）可以在50Hz25kHz频率范围内对被测网络进行频率特性测量；2）可以把测得的数据显示在数码管上；3）电压放大倍数测量的误差不大于5%；4）相移测量误差不大于1。五、主要参考文献1 王振红.VHDL数字电路设计与应用实践教程（第二版）M.北京：机械工业出版社，2005.11 2 王振红,张常年.电子技术基础实验及综合设计M.北京：机械工业出版社，20073 李云松等，Xilinx FPGA设计基础. 西安：西安电子科技大学出版社.20084 薛小刚，葛毅敏，Xilinx ISE 9.X FPGA/CPLD设计指南. 北京：人民邮电出版社.200

10、75 姜雪松，吴钰淳，王鹰等.可编程逻辑器件实用开发技术丛书VHDL设计实例与仿真M. 北京：机械工业出版社,2007 6 华清远见嵌入式培训中心，FPGA应用开发入门与典型实例. 北京：人民邮电出版社.20087 袁文波，张皓，唐振中，FPGA应用开发：从实践到提高.北京：中国电力出版社.20078 张庆玲等，FPGA原理与实践.北京：北京航天航空大学出版社.20069 卢毅, 赖杰.VHDL与数字电路设计M. 北京: 科学出版社,200110 刘皖，何道君，谭明，FPGA设计与应用高等院校计算机应用技术系列教材.北京：清华大学出版社.200611 孙航等，Xilinx可编程逻辑器件应用与系统设计.北京：电子工业出版社.200812王伟，开发FPGA 应用的新设计环境J. 微型电脑应用，2009，19（8）：41-4313 张超,刘开培,基于CPLD的相位差测量仪J. 电子技术.200314 James R. Armstrong and F. Gail Gray.VHDL Design Representation & Synthesis M.Beijing : China Machine