（模式识别与智能系统专业论文）基于labview的实时频谱分析仪的设计与实现.pdf

d es i g na n di m p l e m e n t a t i o no f r e a l t i i es p e c t r u m a n a l y z e rb a s e do n l a b v i e w at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h a n gj u n t a o m a y , 2 0 1 0 1 1 基于l a b v i e w 的实时频谱分析仪的设计与实现 摘要 随着科技的进步，仪器系统与计算机软件技术紧密结合，产生了虚拟仪 器，虚拟仪器依托计算机强大的软硬件资源，从根本上更新了测量仪器的概 念。另一方面，频谱分析作为近代的信号分析方法是从事各种电子产品研发、 生产、检验的重要工具。高分辨率、宽频带实时的数字频谱分析的方法和实 现一直是该领域的研究热点。实时频谱分析在工程实践和理论研究中有着重 要的意义，但是目前实时频谱分析仪的价格比较昂贵，使得它不能普遍应用 于教学和科研实践中。 为此，本文设计了一种全新的频谱分析仪，在n i o si i 的基础上实现虚 拟仪器的功能。n i o si i 是一种基于f p g a ( 现场可编程逻辑器件) 开发的软 核c p u ，它以代码的形式固化在f p g a 内。它的可配置特性给嵌入式系统 设计带来了更大的灵活性，可以说它为嵌入式系统的设计提供了一种全新的 思路。虚拟仪器则采用美国国家仪器公司开发的l a b v i e w8 6 为开发平台， 实现频谱分析仪的仪器功能。本文把n i o si i 和虚拟仪器l a b v i e w 有效的结 合起来，对频谱分析仪进行了实际应用的设计，分为三点。 ( 1 ) 介绍了虚拟仪器的研究背景以及国内外的研究进展，接着对频谱 分析仪的基本原理和功能进行了阐述，确立了设计的总体方案，建立了设计 的基本框架。 ( 2 ) 从几方面分别详细阐述了设计过程，硬件方面有关于采样电路， 系统平台硬件电路的设计，固件方面对n i o si i 的体系结构进行了深入的分 析，并定制了系统所需的处理器内核，随后剖析软件结构，实现了l a b v i e w 环境下的频谱分析仪。理论和仿真表明结果正确。 ( 3 ) 最后论文对主要工作进行了总结，并指出了系统需要进一步完善和 发展的方向。 关键词：频谱分析仪，l a b v i e w ，f p g a ，n i o si i d es i g na n di m p l e m e n t a t i o no fr 卫a l t i m e s p e c t r u ma n a l y z e rb a s e do nl a b v i e w a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y , i n s t r u m e n t a t i o na n dc o m p u t e rs o f t w a r e t e c h n o l o g yw e r sg e t t i n gc l o s e ，r e s u l t e di n v i r t u a li n s t r u m e n t r e l y i n go nt h e p o w e r f u lc o m p u t e r sr e s o u r c eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，v i r t u a li n s t r u m e n t c o m p l e t e l yh a sb e e nc h a n g e dt h et r a d i t i o n a lc o n c e p to fi n s t r u m e n t sa n du p d a t e d t h ec o n c e p to f m e a s u r i n gi n s t r u m e n t s w i t hm a n yb e n e f i t st h ev i e t u a l i n s t r u m e n t h a sb e e nw i d e l ya p p l i e d o nt h eo t h e rh a n d ，a sam o d e ms i g n a la n a l y s i sm e t h o d t h es p e c t r a la n a l y s i sh a sa p p l i e db r o a d l yi nv a r i o u sd i s c i p l i n e s r e s e a r c h a sa n i m p o r t a n tt o o l ，i te n g a g e di ne l e c t r o n i cp r o d u c td e v e l o p m e n t , p r o d u c t i o n ，a n d t e s t i n g t h eh i 曲一r e s o l u t i o n ，w i d e b a n dr e a l t i m ed i g i t a ls p e c t r a la n a l y s i sm e t h o d a n di m p l e m e n t a t i o nr e s e a r c hf o c u si nt h i sa r e a r e a l t i m es p e c t r u ma n a l y s i sh a s g r e a ts i g n i f i c a n c ei np r a c t i c a le n g i n e e r i n ga n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，b u tc u r r e n t r e a l t i m e s p e c t r u ma n a l y z e rc a n n o tb eu n i v e r s a l l ya p p l i e dt o t e a c h i n ga n d r e s e a r c hp r a c t i c eb e c a u s eo ft h ee x p e n s i v ep r i c e 一 t h e r e f o r e ，t h ea r t i c l ed e s i g n san e ws p e c t r u ma n a l y z e ra n dp e r f o r m st h e f u n c t i o no fv i r t u a l i n s t r u m e n tb a s e do nn i o si i n i o si ii sat y p eo fs o f t c o r ec p u b a s e do nt h e d e v e l o p m e n t o ff p g a n i o si ih a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f r e c o n f i g u r a t i o n ，w h i c hb r i n g sm o r ef l e x i b i l i t yt ot h ed e s i g n e r i ti ss u r et h a tn i o s i ih a so f f e r e dak i n do fb r a n d n e wt r a i no ft h o u g h t st oe m b e d d e ds y s t e m d e s i g n e r v i r t u a l i n s t r u m e n tu s e sl a b v i e w8 6w h i c h d e v e l o p e d t h e u s n a t i o n a li n s t r u m e n t sa sp l a t f o r m st oa c h i e v ef u n c t i o no fs p e c t r u ma n a l y z e r i n s t r u m e n t t h ea r t i c l ec o m b i n e st h en i o si ia n dl a b v i e wv i r t u a li n s t r u m e n t s e f f e c t i v e l ya t t e m p t i n gt oau s e f u ld e s i g no fs p e c t r u ma n a l y z e r f i r s t l y , t h i s a r t i c l ei n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t r e s e a r c h ，a n da d v a n c eo fr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d t h e ne s t a b l i s h e st h e g e n e r a lp l a n n i n gf o r t h e d e s i g nf r o me l a b o r a t e t h eb a s i c p r i n c i p l e sa n d f u n c t i o n so f s p e c t r u ma n a l y z e r s e c o n d l ys e v e r a la s p e c t s o ft h ed e s i g np r o c e s sa r ee l a b o r a t e d i nt h e h a r d w a r et h es a m p li n gc i r c u i ta n dt h es y s t e mp l a t f o r ma r ed e s i g n e d i nt h e s o f t w a r et h en i o si ia r c h i t e c t u r ei si nd e e pa n a l y s i s s y s t e md e m a n dp r o c e s s o r c o r e sa r e c u s t o m i z e d l a s t l y a c h i e v et h e s p e c t r u ma n a l y z e r i nl a b v i e w e n v i r o n m e n t t h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l ti sc o r r e c t f i n a le s s a yo ft h em a jo rw o r ks u m m a r i z e da n dp o i n t e do u tf u r t h e r r e f i n e m e n ta n dd e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h es y s t e md e m a n d k e y w o r d s ：s p e c t r a la n a l y z e r , l a b v i e w , f p g a ，n i o s i i i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪 仑1 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 频谱分析仪的研究现状1 1 3 虚拟仪器的研究现状l 1 4 本文研究的内容和目标2 1 5 本文所作工作与结构安排3 2 频谱分析仪总体设计方案5 2 1 频谱分析仪方案的确定5 2 2 系统设计流程6 2 2 1 硬件设计6 2 2 2 固件设计6 2 2 3 软件设计。7 2 2 4l a b v i e w 设j 汁7 2 3 主要芯片介绍7 2 4 本章小结8 3 系统硬件设计9 3 1 采样电路设计9 3 1 1a d s 2 8 0 7 芯片简介一9 3 1 2a d s 2 8 0 7 时序分析9 3 1 3 前置放大电路1 0 3 1 4a 仍转换器硬件电路1 0 3 2 系统平台。1 1 3 2 1 电源电路1 l 3 2 2f l a s h 接口电路1 2 3 2 - 3s d r a m 接口电路1 3 3 2 4 串行通信接口电路l3 3 2 5 时钟电路l5 3 3 本章小结1 5 4 “频谱分析仪”的固件设计1 6 4 1e d a 开发环境l6 4 1 1q u a r t u si i 16 4 1 ：zs o p cb u i l d e r 17 4 2 系统固件组成1 8 4 3 系统外围电路设计18 4 3 1 数控分频器设计l8 4 3 2f i f o 的定制2 0 4 4n i o si i 的定制2 1 4 4 1n i o si i 软核处理器2 1 4 4 2n i o si i 处理器的定制2 3 4 5 本章小结3 0 5 系统软件设计3 1 5 1 软件开发环境一31 5 1 1 指令系统3 l 5 1 2a v a l o n 总线31 5 1 3n i o si i 软件开发流程3 2 5 2n i o si i 软件设计3 2 5 2 1 程序设计概述3 2 5 2 2 程序设计流程图3 2 5 2 3n i o si i 中断3 5 5 3 本章小结一3 7 6l a b v i e w 设计3 8 6 1l a b v i e w 介绍3 8 6 2 前面板的设计3 9 6 2 1 前面板规划3 9 6 2 2 前面板设计4 0 6 3v i 程序框图4 2 6 3 1 程序流程分析4 2 6 3 2 串口通信设计4 3 6 3 3 数据接收4 6 6 3 4 创建时域信号4 7 6 3 5 数据处理4 8 6 3 6l a b v i e w 架构一4 8 i i 6 4 波形显示4 9 6 5 本章小结5 0 7 总结与展望5 l 7 1 设计特点5l 7 2 总结一5l 致谢一5 2 参考文献5 3 附录a 5 5 攻读学位期间发表的学术论文目录6 9 原创性声明7 0 i i i 基于l a b v i e w 的实时频谱分析仪的设计与实现 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 频谱分析仪英文全称为s p e c s u r na n a l y z e r ，频谱分析仪是对无线电信号进行测量的 必备手段，是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具，在生产实践与科学研究中有 着广泛的应用。现代的频谱分析仪又主要分为两大类，一类是传统的模拟频谱分析仪， 其次是现在的数字频谱分析仪。随着科学技术的发展，数字式频谱分析仪已经逐渐成为 一种趋势。同时仪器系统与计算机软件技术的紧密结合，使得传统仪器的概念得以突破， 出现了一种全新的仪器概念虚拟仪器。虚拟仪器技术的出现，使得传统频谱分析仪 的这种形态将被为虚拟仪器所取代。 1 2 频谱分析仪的研究现状 作为近代的信号分析方法，频谱分析在各个学科研究中已经广泛得到应用。高分辨 率、宽频带数字频谱分析的方法和实现一直是该领域的研究热剧。 传统的模拟频谱分析仪的前端电路为调谐接收器，由变频器变频输入信号，通过检 测，低通滤波器的输出，垂直分量为滤波，水平分量为频率，在示波器屏幕上绘制输入 信号频谱。模拟频谱分析仪的频谱分析是以硬件电路来实现的，实时性很高，但是功能 复杂价格昂贵l 酬。 现代频谱分析仪是以现代数字信号处理理论为基础，通过信号预处理，a d 转换， 数字频谱分析环节的组成得到信号频率分量，以达到与传统频谱分析仪同样的结果。现 代数字频谱分析仪主要有计算机处理实时频谱分析，基于通用d s p 处理器的实时频谱分 析，使用f f t 处理芯片的频谱分析系统( a s i c ) 。前者作为软件的处理结果，所以实时 性能差，系统成本高，不适合用于工程实践。对于一般为系统分析的目的处理器，虽然 实时远远高于前者，尽管使用乘加硬件( 一乘加器) 数量有限的执行情况，系统将使用 流水线模式，但数据本身的组织和准备过程( 工作顺序) ，这样在高速情况下，往往需 要一个多芯片并行应用程序，而编程系统更加困难。对于后者，通过不同器件的选用， 能满足高速实时性要求，但成本高。所以设计一种既能够满足一般科研要求又能够降低 成本的频谱分析仪刻不容缓1 5 j 。 1 3 虚拟仪器的研究现状 虚拟仪器的起源可以追溯到2 0 世纪7 0 年代，那时计算机测控系统在国防、航天等 领域已经有了相当的发展。p c 机出现以后，仪器级的计算机化成为可能。虚拟仪器就是 基于计算机技术而发展起来的仪器测量技术，是计算机技术与仪器技术密切结合的产物。 虚拟仪器和传统仪器的基本结构的比较如表1 1 ： 陕西科技大学硕士学位论文 表1 1 虚拟仪器和传统仪器的基本结构的比较 t a bl - 1v i r t u a li n s t r u m e n ta n dt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t sb a s i cs t r u c t u r ec o m p a r i s o n 传统仪器虚拟仪器 关键是硬件 开发与维护的费用高 技术更新周期长 价格高 生产商定义仪器功能 系统封闭、固定 关键是软件 开发与维护的费用低 技术更新周期短 价格低，并且可重复性与可配置性强 用户定义仪器功能 系统开放、灵活、与计算机的进步同步 不易与其他设备连接极易与其他设备连接 与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性等方 面都具有明显的技术优势。 在国外，研究和应用虚拟仪器技术相当普遍，早在1 9 8 2 年，美国西北仪器系统公司 推出了第一台个人仪器。在此之后虚拟仪器按照总线方式g p i b _ v s i _ p 发展，接口 从8 0 年代初p c 插卡一1 9 9 5 年问世的并口式一1 9 9 9 年的串口u s b 方式，研机构纷纷致 力于仪器的标准化、开放性和软件平台模块化的开发。到2 0 世纪9 0 年代，在世界范围 内，虚拟仪器的概念逐渐被广泛的认同和应用【6 j 。 美国国家仪器公司是虚拟仪器里比较权威的厂商，早在m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s 诞生以前，就推出了l a b v i e w 2 0 以前的版本，同时开发的还有l a b w i n d o w s c v i ，随 后的几十年，经过不断改进，到今天l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 都已经有了2 0 0 9 版。 其在航天、航空、通信、汽车、半导体和生物医学等众多领域得到了广泛应用。 1 4 本文研究的内容和目标 随着微电子技术和信号处理技术的发展，电子系统的设计已不再是利用各种通用i c 进行p c b 板级的设计而是转向以大规模f p g a 或a s i c 为物理载体的系统芯片设计 ( s o p c 或s o c ) ，同时e d a 工具的迅速发展【5 j ，使得整个系统从行为算法级( 系统级) 到物理结构级的全部设计易于在f p g a 上实现。特别是a l t e r a 公司推出的q u a r t u s l i 和 n i o si i 核等软件为实现基于f p g a 嵌入i p 核的s o p c 系统提供了极大的方便。 n i o si i 处理器具有完善的软件开发套件包括编译器、集成开发环境( i d e ) j t a g 调试器、实时操作系统( r t o s ) 和t c p i p 协议栈。设计者能够用a l t e r aq u a r t u s l i 开发 软件中的s o p cb u i l d e r 系统开发工具很容易地创建用户定制的c p u 和外设，获得恰好 满足需求的处理器系统。s o p c 系统结合了嵌入式系统与f p g a 优点，为高性能数字信 2 基于l a b v i e w 的实时频谱分析仪的设计与实现 号处理系统提供了新的实现方法。 虚拟仪器技术的出现，传统频谱分析仪的这种形态将能为虚拟仪器所取代。虚拟频 谱分析仪改变了原有频谱分析仪的整体设计思路，用软件代替了硬件，是一种以计算机 作为仪器统一硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文 件管理等基本智能化功能，使工程技术人员可以用一部台式电脑或一部笔记本电脑到现 场就可轻松完成数字信号的采集、处理及频谱分析1 7 j 。 本课题的目标就是要在集合了f p g a 开发环境q u a r t u s l i ，s o p c 解决方案- n i o si i 软核处理器，和虚拟仪器l a b v i e w 等诸多强大开发工具下，研究出一种全新的频谱分 析仪，期望其能达到以下要求： 智能化程度高，处理能力强； 可重复性与可配置性强，开发与维护的费用低； 用户定义仪器功能，使得仪器操作变得更加直观、简便、易于理解； 系统开放、灵活、与计算机的进步同步； 技术更新周期短、价格低； 极易与其他设备连接等。 鬻二 1 5 本文所作工作与结构安排 本课题就频谱分析仪的设计做了以下工作，设计的前端采样电路包括运放，a d 的i 霹。 选型，然后利用a l t e r a 公司d e 2 开发板上的资源，并添加一些需要的硬件资源形成频谱 分析仪的硬件板，接下来分析了n i o si i 处理器系统，并利用a l t e r a 公司的s o p cb u i l d e r 开发工具定制了需要的资源( 包括定制c p u 及外设等) 进行固件设计，软件调试。最后瘦 研究了l a b v i e w 开发平台，并在此基础上完成了频谱分析仪的功能设计。本文分为七 = 白 旱： 第一章介绍了课题的背景及研究意义，频谱分析仪的研究现状，本文研究的内容和 目标。 第二章在课题的实际要求基础上，确定了频谱分析仪的总体方案。给出了基于虚拟 仪器的频谱分析仪的详细设计方案。 第三章介绍了“频谱分析仪”的硬件电路的设计，包括采样电路a d 转换器的设计， 系统平台的介绍。 第四章介绍了“频谱分析仪”固件的设计。首先对q u a r t u si i 开发环境做了简要介 绍，包括n i o si i 处理器系统的设计，然后定制了系统所需要的n i o si i 核、分频器的设 计、f i f o 的定制。 第五章介绍了“频谱分析仪 的软件设计。包括串口程序和中断程序。 第六章介绍了虚拟仪器l a b v i e w 开发平台，及使用l a b v i e w 开发频谱分析仪的功 3 陕西科技大学硕士学位论文 能界面的设计。 第七章对本课题的研究进行了总结，给出了结论。特别是对所遇到的问题进行了全 面的总结，并对课题未来可以改善的方向进行了展望。 4 基于l a b v l e w 的实时频谱分析仪的设计与实现 2 频谱分析仪总体设计方案 2 1 频谱分析仪方案的确定 本设计采用数字式频谱仪1 8 】的总体方案，下面就方案的确定进行研究。 首先主芯片采用采用f p g a 作为系统的核心控制芯片，完成信号采集，数据存储等 功能。因为f p g a 有其无可比拟的优势：如功能强大，性价比高，开发流程简化，可反 复修改等。 方案一：基于f f t 技术的数字频谱仪 有别于传统频谱分析仪，而使用快速傅里叶变换分解被测信号成独立的频率分量。 这是一种新型的频谱分析仪，由模拟数字转换器( a d c ) 对输入信号取样，再经f f t 处理后获得频谱分布图。f f t 技术的数字式频谱分析仪在速度上明显超过传统的模拟式 频谱分析仪，能够进行实时分析。 由f p g a 构成的电路可以以并行或顺序方式工作。在并行工作方面，f p g a 与a s i c 相当，远优于通用d s p 处理器，由于f p g a 中可以使用各种状态机，或使用嵌入式微处 理器来完成，同时系统在每个时钟周期都可同时完成许多操作，使得即使在顺序执行方 面也比通用d s p 处理器快【5 】。另外编程方便上( 可结合m a t l a b 和d s p b u i l d e r ) 亦 是其一大优点。现代大容量f p g a 以其相关的开发技术在可重配置的d s p 领域，以及 d s p 数据大吞吐量和数据的纯硬件处理方面，有独特的优势i 9 1 。 本课题的前期准备采用这种方案，前端电路使用高速a d 采集数据，由f p g a 芯片 进行主电路的控制，结合使用f f ti p 核进行f f t 运算，最后在液晶显示屏上进行显示。 然而其缺点一是f f ti p 核是软核，其使用有不稳定性，使输出的数据可靠性降低。再者 作为显示用的液晶，接口与f p g a 的接口数量多而繁琐，加上空气干燥，导致液晶控制 电路被击穿，不适合作为本设计的方案。 方案二：基于虚拟仪器的频谱分析仪 虚拟仪器是一种利用现有的计算机，经过特殊设计的专用软件。它可以具有现有的 普通仪器的基本功能，也可以有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器。通过软件可以 自己设计仪器系统，满足所需要的各种功能。现在正广泛用于科研，生产，军工的测量 与控制中。 本方案就是在虚拟仪器的基础上确定了一种方便可行的频谱分析仪的设计方法，如 图2 1 ，前端还是使用高速a d 采集数据，模拟信号经过前置放大器进行放大，数据进 入高速宽带a d 转换器，经过转换得到数字量信号，存进f i f o 先进先出缓存器。其中 a d 的采样速率由数控分频器控制，经过分频的时钟信号送给a d 采样时钟，从而达到 控制采样速度的目的。数据在f p g a 主芯片中进行控制，经过串并转换u a r t ，通过串 5 口传 2 2 软件 芯片 内部 是l a b v i e w 设计，在计算机上实现频谱分析仪的功能。 2 2 1 硬件设计 在信号采集部分，为保证a d 输入动态范围的要求和对特定干扰的抑制，信号首先 进行预处理。根据采样定理，输入a d 的信号必须小于采样频率的1 2 。a d 是完成从模 拟到数字的关键环节，它的精度和速度直接决定了频谱分析仪的性能，所以a d 尽量选 用精度和速度都比较高的芯片。本设计采用的是t i 公司a d s 2 8 0 7 。 本设计主要芯片采用c y l o n e l i 系列的e p 2 c 3 5 6 7 2 c 6 芯片，并针对系统要求详细叙 述了电源、f l a s h 、s d r a m 、串并转换u a r t 、时钟电路等，将在第三章详细叙述。 2 2 2 固件设计 本部分的设计主要是在q u , a n u si i 开发环境下使用s o p cb u i l d e r 工具完成n i o si i 的 定制，以及c p u 核外围电路的设计。 n i o si i 是a l t e r a 公司推出的软核处理器，借助s o p cb u i l d e r 工具，根据使用者的需 6 基于l a b v i e w 的实时频谱分析仪的设计与实现 要可以灵活定制定制系统所需的n i o si i 软核。包括存储器f l a s h ，片外s d r a m ，u a r t ， i o 口，系统时钟等。 外围控制电路包括控制a d 采样频率的分频器，f i f o 数据缓存器。 固件设计完成之后对器件进行引脚分配，编译并得出综合结果。 2 2 3 软件设计 软件部分主要描述了c p u 的软件设计，包括串口控制和中断。 2 2 4l a b v i e w 设计 本部分以美国n i 公司的l a b v i e w 为开发平台，设计了频谱分析仪的前面板，能显 示波形的频谱和相位。v i 程序框图部分包括串口通信设计，数据接收，数据处理，谱分 析。最后仿真出频谱分析仪的功能。 2 3 主要芯片介绍 c y c l o n ei i 是a l t e r a 公司在第一代c y c l o n e 系列的基础上开发的第二代f p g a 系列器 件，采用了全铜层9 0 n m 低k 绝缘1 2 vs r a m 工艺设计。c y c l o n ei i 具有很高的性能和 极低的功耗，而价格和a s i c 相当。它的应用领域和c y c l o n e 系列相似，是消费类，通 信，计算机外设，工业和汽车，视频处理等终端市场解决方案的理想选择。 c y c l o n ei i 器件提供针对低成本应用的用户定制f p g a 特性，其密度分布范围广， 含有丰富的存储器和嵌入式乘法器，并提供多种封装选择。c y c l o n ei i 器件还支持低成本 应用中常见的各种外部存储器接口和i o 协议。参数化i p 内核简化了c y c l o n ei i 接口和 协议应用。 c y c l o n ei i 为在f p g a 上实现低成本的数字信号处理系统提供了一个理想的平台， 用户可以单独使用c y c l o n ei i 或者将其作为数字信号处理协处理器使用。c y c l o n ei i 器件 含有经过优化的多种d s p 特性。 c y c l o n ei i 器件的容量为4 6 0 8 - 6 8 4 1 6 个逻辑单元( l e ) ，提供了嵌入式1 8 1 8 位乘 法器，专用外部存储器接口电路( 最高速率可达6 6 8 m b p s ) ，4 k b 嵌入式存储模块，最 多为4 个的增强型锁相环等。c y c l o n ei i 系列片内资源见表2 1 。 本设计采用的是a l t e r a 公司的合作伙伴友晶科技公司研制的d e 2 开发板、可以完成 可编程逻辑器件、e d a 、s o p c 、d s p 、n i o si i 嵌入式系统等方面的实验与开发。可以最 大化的使用现有资源，降低了开发成本。 7 陕西科技大学硕士学位论文 表2 - 1c y l o n e l i 系列产品家族及特性表 t a b 2 1c y l o n e l is e r i e so fp r o d u c t sf a m i l ya n dc h a r a c t e r i s t i c s d e 2 的资源非常丰富【l ，包括： ( 1 ) 核心的f p g a 芯片c y c l o n ei i2 c 3 5f 6 7 2 c 6 ，从名称可以看出，它包含有3 5 千个l e ，在a l t e m 的芯片系列中，不算最多，但也绝对够用。a l t e r a 下载控制芯片e p c s l 6 以及u s b b l a s t e 对j t a g 的支持。 ( 2 ) 存储用的芯片有：5 1 2 k bs r a m ，8 - m bs d r a m ，4 m bf l a s hm e m o r y 。 ( 3 ) 经典i o 配置：拥有4 个按钮，1 8 个拨动开关，1 8 个红色发光二极管，9 个 绿色发光二极管，8 个七段数码管，1 6 2 字符液晶显示屏。 ( 4 ) 超强多媒体：2 4 位c d 音质音频芯片w m 8 7 3 1 ( m i c 输入+ l i n e l n + 标准音频 输出) ，视频解码芯片( 支持n t s c p a l 制式) ，带有高速d a c 视屏输出v g a 模块。 ( 5 ) 更多标准接口：通用串行总线u s b 控制模块以及a 、b 型接口，s dc a r d 接 口，i r d a 红外模块，1 0 1 0 0 m 自适应以太网络适配器，r s 2 3 2 标准串口，p s 2 键盘接 口。 ( 6 ) 5 0 m ，2 7 m 晶振各一个，支持外部时钟，8 0 针带保护电路的外接i o 。 2 4 本章小结 本章在了解该系统要求的基础上，结合频谱分析仪的基本原理，详细介绍了该频谱 分析仪的硬件组成。在详细分析了当前两种主要的频谱分析仪特点之后，根据系统要求 选择了合适的方案，对组成系统的各部分进行了具体的分析和设计，对相关器件进行了 合适的选择，分别从几个方面进行设计，最终构建了一个完整的频谱分析仪的设计方案。 8 基于l a b v i e w 的实时频谱分析仪的设计与实现 3 系统硬件设计 3 1 采样电路设计 首先要对模拟信号进行采样，模数转换，必不可少的需要a d 转换器。选择a d 主 要考虑的因素是转换位数，转换速率等，a d 转换器位数的确定，应该从数据采集系统 的静态精度和动态平滑性这两个方面进行考虑。一般把8 位以下的a d 转换器归为低分 辨率a d 转换器，9 1 2 位的称为中分辨率转换器，1 3 位以上的称为高分辨率转换器。 l o 位a d 芯片以下误差较大，l l 位以上对减小误差并无太大贡献，但对a d ) 转换器的 要求却提得过高。为获得良好的仪器线性度和高分辨率，对信号进行数据采集的a d 需 要1 2 1 6 位的分辨率，但高的位数意味着大的数据量。因此，取1 0 位或1 2 位是合适的。 确定a d 转换器的转换速率时，应考虑系统的采样速率。综合考虑选择了t i 公司的 a d s 2 8 0 7 1 2 1 。 3 1 1a d s 2 8 0 7 芯片简介 a d s 2 8 0 7 是一个双路、高速、高动态范围，1 2 位流水线a d 转换器。a d 电路的采 样保持本质最小化了偶次谐波和提供优良的共模噪声抑制。该a d 也可选择单端输入方 式。 a d s 2 8 0 7 还提供了一个超量程指示标志用来显示输入信号超过了满量程输入范围。 此标志可用于减少前端增益控制电路的增益，并采用数字误差校正技术提供了良好差分 线性度来满足理想应用。主要有以下特点： 双通道1 2 b i t a d 转换器； 最高采样速录：5 0 m h z ； 高信噪比：6 6 d b ( 2 v p - p 的) ，6 8 d b ( 3 v p p ) ； 低功耗：7 2 0 m w ； 内部或外部参考； 灵活输入范围：2 v p - p 到3 v p - p ； 采用t q f p 6 4 功率封装。 3 1 2a d s 2 8 0 7 时序分析 a d s 2 8 0 7 时序如图3 1 所示，其中： a n a l o gi n ：模拟信号输入； c l o c k ：时钟信号； d a t ao u t ：数字量数据输出； d a t av a l i ：输出数据有效。 9 陕两科技大学硕士学位论文 图3 - 1a d s 2 8 0 7 工作时序 f i 9 3 - 1t i m i n gd i a g r a mo f a d s 2 8 0 7 图中t c o n v 为一个时钟周期的时间，t l 为时钟低电平时间，t h 为时钟高电平时间，t d 为间隙延迟时间，t t 为数据保持时间，t 2 为新数据延迟时间，t 3 为数据有效下降沿延迟时 间，t 4 为数据有效上升沿延迟时间。对输入模拟信号进行第一个采样的数据，要经过6 个时钟周期的延迟，转换过的数字信号才被输出。d a t av a l i d 信号与时钟反相，可作为 下一步的时钟输入。 3 1 3 前置放大电路 前置放大电路用于将信号放大到a d 转换器要求的范围和要求的形式隔开信号源和 a d 转换器，以提供低阻驱动给a d ，同时提供一些额外输入信号的利益，以匹配输入 电压范围。因此要加入放大器对前端信号进行预处理，选择a d 公司的a d 8 11 芯片来完 成此功能，该集成运放特性为1 3 】： 高速：最高转换速率可达2 5 0 0 v u s ； 卓越的性能：差分增益0 0 1 ，0 0 1 度差分相位，电流噪声为1 9 n v ； 低失真度：t h d = 7 4 d b 1 0 m h z ： 操作灵活：可指定为5 v 和1 5 v 工作电压； 3 1 4a d 转换器硬件电路 a d 转换器的部分引脚功能如下图表3 1 。 在引脚中，有双通道各为1 2 位的数据接口，通道a 和通道b 使能端，输出数据使 能端，电源，接地等接口，加入放大器后组成采样电路，绘制电路图如图3 2 所示。两 个运放配置为反相和同相增益级转换输入使输入信号从单端变为差分