双路低频信号发生及分析仪电赛

2012年山东省” TI杯”大学生电子设计大赛双路低频信号发生及分析仪（E题）【本科组】2012年9月17日双路低频信号发生及分析仪摘要：本设计采用ALTERA的EP2C35F484芯片作为信息处理核心，完成了双路低频信号发生及分析仪的构建。

系统主要的FPGA控制与处理模块包括信号叠加模块, 分析仪模块, A/D转换模块和D/A转换模块。

本系统设计了一个双路低频信号发生器以及一个能对信号进行频域分析的设备, 两路信号均可输出题目所要求的波形, 幅度及步进均可单独预置, 输出矩形波占空比可在1%到99%范围内预置，步进1%，精度1%; 产生的两路频率相同相位差可预置的双相正弦信号，相位差预置范围为0～360度，设置步进值为10度，精度为10度。

通过测试，本设计系统性能良好，各项指标均能较好地完成设计要求.关键词：可编程门阵列；信号发生器；信号频域分析；加法器Abstract:This design USES to ALTERA's EP2C35F484 chip as the core of the information processing, the completion of the two way low frequency signal occurred and analyzer. This system mainly FPGA control and processing module, the signal superposition module, analyzer module, A/D conversion module, D/A conversion module. This system implements a duplex low frequency signal generator and a can of signal in frequency domain analysis instrument; Two channels signal all can output need waveform; Amplitude and step by step all can separate preset; Output rectangular wave duty ratio in the 1% to 99% range preset, stepping 1%, precision 1%; Can produce two way equal frequency phase difference can be preset double phase sine signal, phase difference preset the range of 0 ~ 360 degrees, set up step by step value for 10 degrees, the accuracy for 10 degrees. Through the test, the design of the system performance is good, and all the indexes can well finish the design requirements.Keyword: FPGA; Signal generator; Signal frequency domain analysis; Adder目录1 系统方案比较与选择及其方案描述1.1系统总体设计方案 (4)1.2各模块方案论证比较与选择 (4)2 理论分析与计算 (5)2.1 信号发生原理 (5)2.2 信号频域分析原理 (5)2.3采样频率的设定依据 (5)3 电路与程序设计 (5)3.1 A/D转换电路 (5)3.2加法器 (5)3.3 D/A转换电路 (5)3.4程序设计 (5)4 测试方案与测试结果 (6)5 总结与致谢 (7)参考文献 (8)附录：电路原理图及PCB图 (8)部分程序清单 (12)一、系统方案比较与选择及其方案描述1.1系统总体设计方案本设计使用以ALTERA的EP2C35F484芯片作为核心的开发板，完成双路低频信号发生及分析仪。

使用硬件描述语言Verilog HDL对外接扩展开发板进行控制，以实现题目的要求。

使用此套FPGA开发板，使性能更加出色，控制更加合理。

具体模块组成框图如下图所示：错误！未指定书签。

DDS DDS DA模块DA模块加法器模块AD模块FFT显示图1系统组成框图1.2 各模块方案论证比较与选择1.2.1FPGA设计方案一：本方案使用以ALTERA的EP2C35F484芯片的FPGA开发板，本方案易于实现所需功能，利用的硬件描述语言为Verilog HDL进行编程，时序控制比较严格，便于控制，完全可胜任底层各种设计要求，利用各种IP 核进行各种设计和运算。

方案二：使用MSP430单片机作为控制芯片进行设计，MPS430单片机操控方便，片内资源丰富。

经过讨论，我们选择方案一。

1.2.2信号发生器的设计题目要求两路信号均可程控选择输出正弦波、矩形波、三角波和锯齿波，频率可预置，范围为1000Hz到2000Hz，设置的步进值不大于10Hz，频率准确度不低于1%，且每路信号的波形及频率都可以单独预置。

方案一：使用单片机控制产生各种波形的输出，得到所需要的波形以及步进值。

方案二：利用fpga产生所需要的波形，利用硬件语言Verilog HDL在Quartus II写DDS产生所需要的各种波形及其步进值。

经过讨论，我们采用方案二。

1.2.3A/D转换电路题目要求是双路低频信号发生及分析仪。

方案一：用一般ADC芯片，如TLC2543，成本高，连线复杂，控制较难。

方案二：选用ADS828作为转换芯片，由于我们的开发板上带有ADS828芯片，为节约资源，控制简单。

经论证，我们采用方案二。

综上所述，我们分别选择FPGA 设计中的方案一，信号发生器设计的方案二，A/D 转换电路的方案二。

二、理论分析与计算2.1、信号发生原理信号发生原理是利用DDS 产生所需要信号波形，DDS 是从相位的概念 直接合成所需波形的一种频率合成技术，不仅可以产生不同频率的波形，而 且可以控制波形的初始相位。

DDS 主要部分是相位累加器。

通过改变寻址的步长来改变输出信号的频率；DDS 方程()Hz Mf f n c out 2/=，out f 为输出频率，c f 为采样时钟，N 为相位 累加器位宽，M 为频率控制字。

DDS 优点为频率分辨率高；频率切换速度快；频率切换时相位连续；可以产生任意波形。

2.2、信号频域分析原理本题需要设计分析仪对信号叠加电路输出的叠加信号进行频域分析，并分别显示两路信号的频率和幅度，其误差绝对值不大于10%，频谱分析主要用于分析信号中所包含的频率成分,即分析信号的频谱分布.频谱仪采用滤波,跟踪锁相或快速傅立叶变换等技术,利用一个或多个微处理器进行控制,误差修正和数据处理。

通过FFT 方法计算DFT,即可得到信号的离散频谱,再经平方获得功率谱.它已成为低频频谱分析的主要方法. 2.3、采样频率的设定依据时域波形分析采样频率越高越好。

频域波形分析，采样频率越低越好，但根据采样定理不得小于被测信号的2倍。

采样数据块大小设置：块大小必须为2n ，块越大，FFT 分辨率越高。

三、电路与程序设计3.1、A/D 转换电路本设计使用的是由TI 生产的ADS828芯片，10位，75MHz 的采样模拟数字转换器，可以将电路里面的模拟信号转换为数字信号。

具体实现电路见附录1。

3.2、加法器信号发生器输出两路波形，然后进行信号的叠加处理，这里就用到了加 法器，将两路信号整合到一路信号，从而完成信号的叠加，我们用到的芯片 是OPA690芯片，该芯片是电压反馈运算放大器，能够很好的完成所需要的 加法器功能。

具体电路及仿真见附录2. 3.3、D/A 转换电路本设计选用的是TI 生产的DAC902芯片，12位，165MSPS 的速率，数字模拟转换器，通过该芯片可以将数字信号转换为模拟信号，从而将DDS 产生的各种波形转换出来，具体实现电路见附录3。

3.4程序设计3.4.1、系统软件流程设计利用FPGA 编程DDS 输出两路波形，经过两路DA 后，进入信号的叠加电路，经过AD 后输入到分析仪中，通过对输入信号频率的测量选择合适的采样方式，通入到FPGA中利用FFT进行频域的分析，并用显示出来。

这样就完成了软件与硬件的结合。

错误！未指定书签。

3.4.2、DDS输出模块在本设计中，需要输出两路的信号，而且均可输出正弦波，矩形波，三角波和锯齿波，用Verilog HDL 编写DDS模块，DDS是从相位的概念出发直接合成所需要的波形的一种频率合成技术，DDS所产生的仿真波形图见附录4，DDS原理如下图所示：N位累加器加法器加法器ROM D/A 频率控制字相位控制字波形控制字参考信号图2 DDS原理框图3.4.3、FFT模块FFT是一种DFT的高效算法，称为快速傅立叶变换。

FFT是离散傅立叶变换的快速算法，可以将一个信号变换到频域。

有些信号在时域上是很难看出什么特征的，但是如果变换到频域之后，就很容易看出特征了。

这就是很多信号分析采用FFT变换的原因。

另外，FFT可以将一个信号的频谱提取出来，这在频谱分析方面也是经常用的。

所以我们调用Quartus2里面的IP核进行FFT的运算，可以可靠的得出所需要的频域分析结果。

四、测试方案与测试结果测试方案:利用各种测试仪器进行测试,仪器列表如附录5,分别对频率,幅度,相位差等进行测试计算,得出测试结果.计算结果相比较,得出结论,可以正确的表现出测试的准确性,测试结果如下表所示,通过计算,误差在允许范围之内,频率和幅度均能达到要求,输出矩形波设置步进值为1%，精度为1%等方面的测试,均可以准确的表示出题目所需要的要求.测试结果及误差分析如下.1、低频信号发生器输出信号测试表1 幅值测试（测试频率为1500HZ）（单位/V）理论值0.10 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 实测值0.09 0.49 1.01 1.51 2.03 2.47 3.01 3.51 4.02误差：<2%表2 频率测试（测试幅度为1500HZ）（单位/Hz）理论值1000 1100 1200 1400 1500 1700 1800 2000 实测值1000 1101 1201 1401 1501 1701 1799 2002误差：<0.5%表3 相位差测试（两路正弦信号，频率为1500HZ）（单位/°）理论值 1 90 120 150 200 260 300 360 实测值 2 89 121 149 198 261 301 361误差：<2% ；精度<10o表4 方波占空比测试（一路方波信号，频率为1500HZ）（单位/%）理论值 1 10 40 50 60 70 80 99 实测值 1.02 10.1 40.2 49.8 60.2 70.2 80.4 99.1误差<1% ；精度<1%2、频谱分析仪测试（叠加信号为两路正弦，频率为F1，F2；幅值为V1，V2）（频率：单位/HZ 峰峰值：单位/mV）输入值测量值输入值测量值输入值测量值输入值测量值误差F1 1000 1000 1200 1200 1500 1500 2000 2000 <0.1% V1 200 216 600 610 1000 1020 3000 3021 <5% F2 1100 1100 1300 1300 1600 1600 1900 1900 <0.1% V2 300 307 800 798 1300 1310 3000 3012 <5%五、总结本设计采用了ALTERA的EP2C35F484芯片作为信息处理核心的FPGA开发板，实现了双路低频信号发生及分析仪的设计任务。