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1 引言
目前，由于頻譜分析儀價(jià)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(hào)特征，嚴(yán)重影響教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果。
針對(duì)這種現(xiàn)狀提出一種基于FPGA的簡(jiǎn)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(cè)信號(hào)范圍。
2 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(hào)算法處理單元。系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循抽樣定理，在時(shí)域內(nèi)截取一段適當(dāng)長(zhǎng)度信號(hào)，對(duì)其信號(hào)抽樣量化，按照具體的步驟求取信號(hào)的頻譜，并在LCD上顯示信號(hào)的頻譜，同時(shí)提供友好的人機(jī)會(huì)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(hào)。
由于單片機(jī)C8051 F121內(nèi)部集成A／D轉(zhuǎn)換器，能夠有效測(cè)量自動(dòng)增益控制AGC壓差，計(jì)算出對(duì)輸入信號(hào)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(chǔ)器，使其能夠控制整個(gè)系統(tǒng)；EP3C40F484C8型FPGA內(nèi)置豐富的存儲(chǔ)器資源，確保該系統(tǒng)具有足夠的空間存儲(chǔ)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(hào)處理。
3 理論分析
3．1 數(shù)字下變頻FFT
隨著高速A／D轉(zhuǎn)換和DSP技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字下變頻的快速傅里葉變換FFT(Fast Fourier Transform)技術(shù)能夠有效減少傳統(tǒng)FFT技術(shù)存在的內(nèi)存不足。在高中頻、高采樣率系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜的高分辨率、低存儲(chǔ)量和低運(yùn)算量，從而極大提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
圖2為基于數(shù)字下變頻的FFT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理框圖。
3．2 直接數(shù)字頻率合成器DDS原理
用直接數(shù)字頻率合成器DDS(Direct Digital Synthesiz-er)原理實(shí)現(xiàn)掃頻信號(hào)的信號(hào)源主要由參考頻率源、相位累加器、正弦波采樣點(diǎn)存儲(chǔ)RAM、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器構(gòu)成。設(shè)參考頻率源頻率為fclk，計(jì)數(shù)容量為2N的相位累加器(N為相位累加器的位數(shù))，若頻率控制字為M，則DDS系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率為fout=fclk/2N×M，而頻率分辨率為△f=fclk/2N。為達(dá)到輸出頻率范圍為5 MHz的要求，考慮到實(shí)際低通濾波器性能的限制，fclk為200 MHz，相位累加器的位數(shù)為32位。其中高10位用做ROM地址讀波表(1個(gè)正弦波周期采樣1 024個(gè)點(diǎn))，頻率控制字也為32位，這樣理論輸出頻率滿足要求。
4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
4．1 AGC電路
輸入信號(hào)經(jīng)高速A／D采樣，信號(hào)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。
