采用FPGA頻譜分析儀系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)詳解 - 全文

　　目前，由于頻譜分析儀價格昂貴，高等院校只是少數(shù)實(shí)驗(yàn)室配有頻譜儀。但電子信息類教學(xué)，如果沒有頻譜儀輔助觀察，學(xué)生只能從書本中抽象理解信號特征，嚴(yán)重影響教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果。針對這種現(xiàn)狀提出一種基于FPGA的簡易頻譜分析儀設(shè)計(jì)方案，其優(yōu)點(diǎn)是成本低，性能指標(biāo)滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)所要求的檢測信號范圍。

　　設(shè)計(jì)方案

　　圖1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖。該系統(tǒng)采用C8051系列單片機(jī)中的 C8051F121作為控制器，CvcloneⅢ系列EP3C40F484C8型FPGA為數(shù)字信號算法處理單元。系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循抽樣定理，在時域內(nèi)截取一段適當(dāng)長度信號，對其信號抽樣量化，按照具體的步驟求取信號的頻譜，并在LCD上顯示信號的頻譜，同時提供友好的人機(jī)會話功能。該系統(tǒng)最小分辨率為1 Hz，可分析帶寬為0~5 MHz的各種信號。

　　由于單片機(jī)C8051 F121內(nèi)部集成A／D轉(zhuǎn)換器，能夠有效測量自動增益控制AGC壓差，計(jì)算出對輸入信號的放大倍數(shù)；另外，該單片機(jī)內(nèi)置高速控制內(nèi)核和豐富的存儲器，使其能夠控制整個系統(tǒng)；EP3C40F484C8型FPGA內(nèi)置豐富的存儲器資源，確保該系統(tǒng)具有足夠的空間存儲采集的點(diǎn)數(shù)，完成離散傅里葉變換、數(shù)字濾波器、數(shù)字混頻等信號處理。

　　AGC電路

　　輸入信號經(jīng)高速A／D采樣，信號幅度必須滿足A／D的采樣范圍，最高為2-3V，因此該系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)加AGC電路。AGC電路采用AD603型線性增益放大器。圖3為AGC電路。

　　A／D轉(zhuǎn)換電路

　　ADS2806是一款12位A／D轉(zhuǎn)換器，其特點(diǎn)為：無雜散信號動態(tài)范圍（SFDR）為73 dB；信噪比（SNR）為66 dB；具有內(nèi)部和外部參考時鐘；采樣速率為32 MS／s。圖4為ADS2806的電路。為使A／D轉(zhuǎn)換更穩(wěn)定，在A／D轉(zhuǎn)換器的電源引腳上增加濾波電容，抑制電源噪聲。該電路結(jié)構(gòu)簡單，在時鐘CLK的驅(qū)動下，數(shù)據(jù)端口實(shí)時輸出數(shù)據(jù)，供FPGA讀取。

　　FPGA及外圍接口模塊

　　選用CycloneⅢ系列 EP3C40F484型FPGA，該器件內(nèi)部有39 600個LE資源，有1 134 000 bit的存儲器，同時還有126個乘法器和4個PLL鎖相環(huán)。由于該器件內(nèi)部有大量資源，因而可滿足其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)字混頻、數(shù)字濾波、以及FFT運(yùn)算。FP -GA正常工作時，主要需要的外部接口有：時鐘電路、JTAG下載電路、配置器件及下載電路。圖5為FPGA的外圍接口電路。

　　該系統(tǒng)能夠方便地在LCD上顯示信號的頻譜結(jié)構(gòu)圖。操作簡單，便于學(xué)生進(jìn)行操作，有助于實(shí)驗(yàn)教學(xué)課上學(xué)生更直觀認(rèn)識信號頻譜結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。

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