一种基于FPGA和单片机的扫频仪研究与设计

2010-09-27 21:56:34来源: 电子设计工程

  一个网络的频率特性包括幅频特性和相频特性,在系统设计时,各个网络的频率特性对该系统的稳定性、工作频带、传输特性等都具有重要影响。实际操作中,扫频仪大大简化了测量操作,提高了工作效率,达到了测量过程快速、直观、准确、方便的目的,在生产、科研、教学上得到广泛运用。本设计采用数字频率合成技术产生扫频信号,以单片机和FPGA为控制核心,通过A/D和D/A转换器等接口电路,实现扫频信号频率的步进调整、数字显示及被测网络幅频特性与相频特性参数的显示。

  1 系统总体方案及设计框图

  1.1 系统总体方案

  将输出频率步进可调的正弦扫频信号源作为被测网络的激励Vi,可得被测网络的响应为V0。通过测量各频率点的幅度就可得到V0和Vi的有效值,两者之比就是该点的幅度频率响应;对V0和Vi进行过零比较、整形,再送到FPGA测量相位差,即可得到相频特性。

  设激励信号Vi=x(n)=Acos(ω0n+f),稳态输出信号V0=y(n)。利用三角恒等式,可将输入表示为两个复指数函数之和:,式中,公式。对于输入为公式,线性时不变系统稳态输出为公式。根据线性性质可知,输入g(n)的响应v(n)为:公式。同理,输入g*(n)的输出v*(n)是v(n)的复共轭。于是得到输出y(n)的表达式:

公式

  因此,输出信号和输入信号是频率相同的正弦波,仅有2点不同:1)振幅被公式加权,即网络系统在ω=ω0的幅度函数值;2)输出信号的相位相当于输入有一个q(ω0)时延,即网络系统在ω=ω0的相位值。该方案幅度和相位测量的控制都通过FPGA实现,能够使测量结果精确。

  1.2 系统总体设计框图

  系统通过键盘扫描得到外界设置的扫频范围和频率步进,通过调用DDS控模块控制DAC904,输出扫频信号。由于信号在被测网络阻带内会有很大的衰减,故用程控放大处理经被测网络的扫频信号之后,利用AD637进行有效值采样,LM311进行整形。信号有效值经MAXl270进行AD转换后得到有效值的数字量,整形后的信号经测相模块处理得到相位差值。在FPGA中写入2个RAM存放被测信号的有效值和相位差值。完成一次扫频后通过波形显示模块将幅频、相频曲线显示在示波器上,并将特定频率点的幅度和相位差值在液晶显示器上进行显示。系统实现框图如图1所示。

系统实现框图

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关键字:扫频仪  FPGA  单片机  扫频信号

编辑:小甘 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2010/0927/article_1359.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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