基于FPGA多通道采样系统设计

1、    基于fpga多通道采样系统设计    杨永超摘  要：本论文介绍了基于fpga的多通道采样系统的设计。用fpga设计一个多通道采样控制器，利用vhdl语言设计有限状态机来实现对ad7892的控制。由于fpga器件的特性是可以實现高速工作，为此模拟信号选用音频信号。由于音频信号的频率是20hz-20khz，这样就对ad转换的速率有很高的要求.因为fpga的功能很强大，所以我们把系统的许多功能都集成到fpga器件中，例如ad通道选择部分，串并输出控制模块，这样使得整个系统的外围电路简单、系统的稳定性强。fpga的配置模式选用被动串行模式，这

2、样就增强了系统的可扩展性。关键词：音频放大;滤波器;fpga;vhdl;ad7892;1.引言fpga（field-programmable gate array 现场可编程门阵列）是近年来广泛应用的超大规模、超高速的可编程逻辑器件，由于其具有高集成度（单片集成的系统门数达上千万门）、高速（200mhz以上）、在线系统可编程等优点，为数字系统的设计带来了突破性变革，大大推动了数字系统设计的单片化、自动化，提高了单片数字系统的设计周期、设计灵活性和可靠性。在超高速信号处理和实时测控方面有非常广泛的应用。硬件描述语言hdl是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。vhdl是硬件描述语言的几种代表

3、性语言的一种。vhdl（very high speed integrated circuit hardware description language 即超高速集成电路硬件描述语言）主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，与其它的硬件描述语言相比，vhdl具有更强的行为描述能力，从而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。用vhdl设计的程序，通过综合工具产生网表文件，下载到目标器件，从而生成硬件电路。2.方案设计用fpga实现一个3位8进制的计数器，记数脉冲是fpga锁存ad转换数据的锁存信号，计数器的输出作为数据开关cd4051的地址。用有限状态机来实现对ad7892的控制，这

4、样电路实现比较简单，而且ad7892的采样速率可以达到500khz，可以实现8个通道同时8路音频信号采集。同时采用fifo模块，让数字数据先存到队列中，一边往队列中写数据，一边从队列中读数据，这样就对数字数据起了一个高速缓存的作用，更加快了整个系统的运行速度。3.单元电路的设计由图2.1可以看出，系统可以分为4个大部分，分别是音频放大、滤波部分，fpga控制部分，ad采样电路，fpga硬件电路的设计。其中以fpga控制部分为主体部分，它涉及到ad采样控制，通道选择控制，串并输出模式选择模块，延时模块以及fifo模块介绍。这些模块的实现是系统实现的关键。下面分别对系统的这些单元电路做详细的阐述。

5、3.1 音频放大、滤波部分人的耳朵可以辨别到的声音频率范围是：20hz-20khz，所以对音频放大部分的放大器有带宽要求，要求放大器是宽频带的。所以本次设计选用专门用于音频放大的高速低噪声运放ne5532作为放大部分的放大器。滤波部分是一个有源带通滤波器，滤掉电路的20hz以下的低频和20khz以上的高频干扰。3.2 ad采样电路由于人的耳朵能识别的音频的频率范围是20hz-20khz，根据奈魁斯特（nyquist）采样定理知道，要使采样后的数字信号能恢复成模拟信号，采样的频率必须是模拟信号的频率的两倍，即本次采样系统的采样频率最低要设计在40khz，而一般cd格式的音频信号的采样频率是44.

6、1khz，由于是8路通道的采样，所以ad芯片的最低采样频率应该是44.1khz8=352.8khz，所以选择采样频率为500khz的ad7892。这样我们每个通道的采样频率就是500khz/8=62.5khz。3.4 fpga的硬件设计本次设计选用的fpga芯片是altera公司的acex1k系列的ep1k30tc144-3。由于它的高密度和易于在设计中实现复杂宏函数和存储器，因此可以把一个子系统集成在单一芯片上，ep1k30包括一个嵌入式阵列，这为设计人员提供了有效的嵌入式门阵列和灵活的可编程逻辑。嵌入式阵列是由一系列嵌入式阵列块（eab）组成的，它能够用来实现各种存储器和复杂逻辑功能;该器

7、件也提供多电压i/o接口操作。它允许器件桥架在不同电压工作的系统中。比如本次系统设计器件的i/o输出就是2.5v，这样不但使fpga芯片工作安全，也可以让ad7892能工作安全状态。4 软件介绍在实验中主要使用了max+plus、ewb、以及protel99se三种软件，其中，max plus主要完成对fpga芯片的编程，仿真，芯片引脚锁定以及编程在线配置等操作，ewb主要用于对放大、滤波电路作分析与设计，并以分析为主，尤其是ewb能提供一个虚拟的实验室，可以对电路和系统进行十分逼真的模拟;protel99se则是整个电路设计pcb的重要工具。现分别对这三种软件进行介绍，其中重点介绍使用max

8、+plus的常用基本设计方法。5  整机调试在硬件电路中用到了音频放大、滤波电路，电源稳压电路，ad采样电路，fpga控制等主要部分，由于电路连线较多而且复杂，采用的方法是分块调试，这样比较容易发现问题和解决问题。这种硬件调试方法在实际应用是比较普遍的。在进行硬件调试之前，首先要检查电路板，看看电路板上的线路是否有短路、虚焊或者是断路的情况，如果有则要修正它，如果没有就可以进行各个模块的调试。6调试注意事项在调试音频放大部分的时候，话筒和电路板的连接线要选用屏蔽线，这样用助于屏蔽周围的干扰信号，普通的电线无法做到这一点。由于fpga芯片引脚过多，而且电路相对复杂，所以在硬件电路的功能

9、调试之前，需要对硬件电路的检查和调试。特别是对fpga芯片的电源的检查，电源电压的过高，芯片就会烧坏;电压过低，芯片就工作不起来。设计把ad部分和fpga芯片分到了两块板子上，而且fpga芯片电源是由lm317稳压块提供，所以先在ad模块加上+5v电源，用万用表测得lm317的输出电压是否是2.5v，这样就起到保护fpga芯片的作用。7  结论本次设计采用fpga实现采样系统，从而系统具有高速、稳定、低功耗等特点，音频模拟信号经放大器ne5532放大后，经过8路选择后，进入滤波器进行滤波，滤掉高频干扰信号和低频干扰信号的干扰，然后进入ad7892进行ad采样，采样后的12位数据通过一个fifo队列存储，