基于单片机和FPGA的频率特性测试仪的设计

1、基于单片机和fpga的频率特性测试仪的设计频率特性是网络的性能最直观反映。频率特性测试仪是测量网络的幅频特性和相频特性，并显示相应曲线的一种迅速、便利、动态、直观的测量仪器，可广泛应用于工程领域。该测试仪以扫频外差为基本原理，并以和构成的最小系统为控制核心，很好地完成对有源双t网络举行频率在100 hz100 khz范围内的幅频响应和相频响应特性的测试，并实现在通用数字上同时显示幅频和相频响应特性曲线。2 系统设计计划21 总体计划该设计采纳单片机和fpga结合的方式。将输出频率可步进的正弦信号的扫描信号源作为被测网络的输入信号vi，则被测网络的输出信号vo为频率可步进的信号。通过测量各频率点

2、的幅度就可得到vo和vi的有效值，两者之比就是该点的幅度频率响应；对vo和vi举行过零比较、整形，再送到fpga测量相位差。 vi的升高沿启动计数，vo的升高沿停止计数，所得时光值与信号周期之比，就是该点的相位频率响应。此计划采纳fpga测量相位差，而且便于制作dds扫描信号源。22 扫频信号源设计计划该设计采纳挺直数字合成(dds)信号源。dds信号源是由数字量控制的频率源， 1所示，其详细实现过程是：将输出波形一个完整周期的幅度值按相位步进挨次量化存储于双端口ram中，按一定的地址间隔读出，经da转换成模拟信号，再经低通滤去da转换带来的小台阶和数字产生的毛刺，即可获得高精度、高纯度的正弦

3、信号。理论上只要累加器的位数足够多，便可实现随意小的频率步进，且频率辨别率很高，非常临近于延续变幻。通过预设相位累加器初值可很便利地实现精密相位调整。23 幅度测量模块的计划该模块采纳集成真有效值变换器件。测量被测信号的真有效值，然后将其换算为幅值。即可实现对正弦波的幅值测量。该计划硬件、软件都很容易，而且精度高，效果抱负。24 相位测量模块的计划该模块采纳相位一时光转化法。两个频率相同、相位不同的正弦信号经整形异或运算后产生脉宽为tx、周期为t的方波,相位差与(tx/t)之间始终存在一一对应关系。因此无论频率如何变幻，只要测出(txt)，相位差的大小也就确定。3 理论分析与计算31 dds相

4、关计算由dds原理可得：式中，n为相位累加器位数，k为频率控制字。当k=1时，可知dds的最低输出频率为：此即dds的频率辨别率。(1)移相部分dds因为输出级da转换器0800的建立时光为100 ns，则时钟频率应小于10 mhz，取时钟频率fout=8388 608 mhz，相位累加器n=23bit，则：(2)扫频信号部分dds 因为fpga片内资源丰盛，为保证足够的扫频精度，取参考时钟频率fclk为40 mhz。通过控制频率控制字k的变幻范围，彻低可以满足dac0800的速度要求。32 相位测量相关计算由fpga利用等精度法测得被测信号和基及时钟的频率分离为f0、fcp，对被测信号鉴相后

5、，由得到的相位差脉冲宽度t控制计数器计数，其计数值设为m，则被测信号的相位差为：(1)相位测量误差计算 若让计数器在1 s内累计记数，则累计数：m1=mf0，式(5)改为其测量误差为：(2)相位测量辨别率计算 数字移信任号发生器频率范围为20 hz20 khz，相位差测量范围为0"359°，因此计数器时钟频率fclk起码为72 mhz，取fcp=100 mhz，因为计数器辨别率为±1，对应最小相位辨别率(f0=20 khz时)：4 系统整体框图系统设计发挥fpga稳定、牢靠、可编程的特点，让fp-ga实现尽可能多的功能，从而削减模拟部分的工作，使囫囵设计越发牢靠。

6、系统整体框图2所示。52 示波器显示部分系统除实现显示外，还可借助示波器显示曲线。为分离显示幅频和相频特性曲线，用叠加直流电平的办法使两种曲线显示在示波器荧光屏适当位置(示波器上方为幅频曲线，下方为相频曲线)。按照需要，亦可自立显示某一种曲线。幅度、相位数据均取256 bit，da转换采纳dac0800完成。图4为共。53 系统软件的设计软件设计由c和 hdl语言编写完成，前者由单片机运行完成实时显示、键值读取、数据处理等系统的主控功能；后者写入fpga完成键盘扫描。并在其中写入滤波模块对波形举行处理，dds控制产生终于波形的显示并充当单片机与外围电路的桥梁。系统软件流程5所示。6 结束语系统很好地完成对有源双t网络举行100 hz100 khz频率范围内的幅频响应和相位响