基于FPGA的波形产生和频率测量便携式仪器的设计

 2022-01-17 11:01

论文总字数:19584字

目 录

1 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 波形产生功能概述 1

1.1.2 测频功能概述 1

1.2 研究内容与意义 2

2 系统原理 3

2.1 波形产生原理 3

2.1.1 DDS基本原理 3

2.1.2 D/A转换器 5

2.1.3 低通滤波器 5

2.2 频率测量原理 6

2.2.1 等精度测频法 6

2.2.2 自动增益控制电路 7

2.2.3 电压比较器 8

3 系统设计方案 8

3.1 FPGA设计 9

3.1.1 FPGA选型 10

3.1.2 硬件描述语言HDL 10

3.1.3 波形产生功能设计 11

3.1.4 频率测量功能设计 11

3.1.5 NIOSⅡ处理器设计 12

3.2 模拟电路设计 14

3.2.1 D/A转换器和低通滤波器 14

3.2.2 自动增益控制电路设计 15

3.2.3 高速比较器 15

3.3 人机交互设计 16

4 软件测试与仿真 17

4.1 软件分析与综合 17

4.1.1 波形产生功能仿真 17

4.1.2 频率测量功能分析与综合 18

4.1.3 NIOSⅡ处理器分析与综合 20

5 功能测试与数据分析 20

5.1 波形产生功能测试 21

5.1.1 波形产生误差分析 22

5.2 频率测量功能测试 22

5.2.1 频率测量误差分析 23

6 结论 23

参考文献 23

致谢 25

在校期间发表的学术论文和专利 26

基于FPGA的波形产生和频率测量便携式仪器的设计

杨绪森

,China

Abstract:A portable instrument based on FPGA for waveform generation and frequency measurement is designed in this paper. The design of the analog circuit is introduced, and the algorithm of equal precision frequency measurement is analyzed. FPGA, signal conditioning circuit is included in this system. The waveform generation function based on the principle of DDS , makes full use of the advantages of FPGA, auxiliary with high-speed DAC, passive filter, etc. without reducing the performance of the premise, instead of of DDS integrated chip function,We improve system integration ,and can choose a variety of waveforms whose parameters can be set by the button to achieve arbitrary waveform output; precision method is used in frequency measurement to improve the measurement accuracy, through the design of high-speed peripheral circuit with high-speed chip to improve the system bandwidth, besides,In addition, input signal is adjusted by the pre-automatic gain control circuit,high-speed comparison circuit,etc., makes the system can measure a variety of input waveform. Compared with the traditional instrument, the instrument has a high bandwidth, error and other good performance indicators, and has targeted to improve system integration, reduces the volume of the instrument, easy to carry.

Key words: FPGA; analog circuit; precision frequency measurement; waveform generation; principle of DDS

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1 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 波形产生功能概述

在各种各样的实验及测试工程中,信号源的作用非同小可。信号源的分为很多种类型,各种各样的信号源在性能、使用方式及应用场合上有很大的差别,不同的应用需要不同的信号源。当前阶段,函数发生器,任意波形发生器, 射频信号源,以及基本的模拟输出模块是最常用到的信号源类型。如今是科技飞速发展时期,电子测量的相关技术也日新月异,所以一般的信号发生器已经不能够胜任绝大多数的实验及测试工程,急需性能更优的信号发生器。而直接数字频率合成是一种相对比较先进的技术,根据累加器的位宽,可以设置很高的频率分辨率,频率由频率控制字实现快速切换,切换相位连续,功能可全以数字化方式实现,因为存在可编程逻辑器件,所以易于集成,从而其体积小且重量轻等,简称DDS。类似于DSP技术,DDS也是是一项重要的数字化技术。在数字通信、雷达系统、电子测量等设备中有着极其广泛的应用。当前的电子测量领域中,信号发生器采用的主流方式就是DDS技术。

DDS芯片价格在目前的市场中比较昂贵,其固定单一的功能使得其特别不适用于输出波形多样化的应用场合。近年来,DDS技术在电子设计过程中被频繁使用,传统的方法采用单片机等处理器来控制DDS芯片,使其输出对应的波形数据,这种处理器 DDS模块的组合形式造成了资源的浪费及系统的复杂度,成本也较高。可编程逻辑器件FPGA在不断更新发展,运算速度也在不断提高,FPGA在处理数字信号具有优势[1-5],且能够通过编程的形式在其内部构建软核实现单片机的控制功能,同时,根据DDS原理,在FPGA内部构建相位累加器及波形数据存储器实体电路,结合DAC、滤波电路取代DDS芯片的作用,单个FPGA可以替代单片机 DDS芯片的组合, 这样资源的利用率得到了极大提高,同时极大地缩小了仪器的体积。根据不同的应用,硬件开发人员可以设计特性良好且能够产生多种波形的直接数字合成系统,而这一开发过程仅需单个FPGA芯片,这样的开发效率相比传统方式提高了数倍。

1.1.2 测频功能概述

在一个周期时间内,事物从一个初始状态经改变后回到初始状态的相同过程的次数,就是这个事物的发生频率。同理,数字或模拟波形中,可以获得信号周期,信号周期的倒数就是频率。则周期和频率就是反比的关系。

在电信号领域,频率是极其关键的物理量,在电子、通信等相关系统中,整个系统的性能关键一般都决定于频率的稳定程度,波形信号的频率是否能准确测量是系统设计的重要内容[15]

目前主流几种测频方法如下:

1.直接测频法:用标准信号产生一个闸门,从而启动计数器对待测信号进行计数。如果将闸门长度设定为1s,则可以从计数器中直接获得待测信号频率。应用此方法,计数器可能会多计或者少计一个正负脉冲信号,所以这种方法的绝对误差就是1Hz(对宽度为1s的闸门而言)。如果待测信号频率升高,则相对误差会随之降低,所以测高频时适合使用此种方法,测低频则误差太大。

2.测周期法:通过待测信号产生一个闸门,在此期间内对标准脉冲进行计数。当闸门时间刚好等于待测信号的周期时,计数器的输出结果即是待测信号的周期值(用标准脉冲个数来表示)。该法的绝对误差是一个时基周期。当待测信号的周期增大(即频率降低),相对误差也就随之降低,所以测高频(周期短)时不适合应用此方法,低频时此方法较为适用。

3.等精度测频:通过标准脉冲信号及待测信号设置两个同步闸门,并对待测信号及标准脉冲信号进行计数。两个计数值之比即等于其频率比。通过标准脉冲信号设置一个预置闸门,通过待测信号设置实际闸门,这样就可以去除计数器的正负一个脉冲的误差,使测量误差与待测信号频率没有关系,达到真正的等精度测频[16]

由于等精度测频法克服了前面两种方法的不足,所以成为了测频系统采用的主要方法。

在硬件开发设计过程中,测量频率是关键技术之一[6,7]。目前常见的数字频率计主要是通过单片机与CPLD的组合形式对信号进行处理分析,此种方法增加了器件的数量,造成了资源浪费,不利于仪器的高集成度。由于FPGA的集成性能更优,同时在其内部应用等精度测量方法测量信号,可以极大提高测量精度[8,9]。被测波形经前级自动增益控制电路和高速比较电路调理成FPGA可处理的脉冲波形信号,经FPGA的同步闸门、计数器、触发器、选择器等实体电路对输入信号和高精度标准信号进行等精度计数[13],并处理显示。这样可以采用FPGA替代单片机和CPLD的组合,使得资源得到充分利用,减小仪器的体积,更加便携。

1.2 研究内容与意义

本文主要研究基于FPGA为控制核心的仪器设计,实现波形产生和频率测量两大主要功能,主要研究内容分为以下两部分:

研究FPGA的软件编程。波形产生功能采用DDS原理、频率测量功能采用等精度测频原理,所以首先研究两种原理,据此对FPGA进行编程。

研究系统的外围模拟电路。由于集成处理器都属于数字器件,而系统的所要测试和输出的都是模拟信号,所以需要设计模拟电路对信号进行转换与调理。同时需要根据系统功能要求,研究各电路模块的设计以满足带宽、精度等性能要求。

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