基于FPGA的双路低频信号发生及分析仪

l 引言

频率合成技术的应用，对通信、数字电视、卫星定位、航空航天、雷达、电子对抗技术的发展起到了至关重要的作用。而作为波形发生器的核心的频率合成技术，其原理是把一个或多个高精度、高稳定性的参考频率，经过各种信号处理技术，生成同样精度和稳定性的各种离散频率。虽然各个芯片厂推出了先进的高性能、多功能DDS集成芯片，但在某些情况下，这些DDS集成芯片的控制方式、频率和转化率不符合系统要求。如果使用高性能的FPGA器件来代替DDS集成电路，便可以满足设计要求。

本文设计了一种低频信号发生及分析系统。本系统以高速可编程逻辑门阵列FPGA为核心技术，由FPGA通过p核产生双路低频信号，参数由按键输入。产生的双路信号经过加法电路的叠加，由FPGA对信号进行快速傅里叶变换得到频域信号，最后通过示波器观察频域信号，通过门限法得到该信号的频率和幅度等参数并在LCD上显示。该系统具有体积小、携带方便、操作简便、易于连接，采样率、数据传输速率高，动态范围大（12位A/D采样率）等特点，使用自制的线性电源，非常方便低频信号生成和分析。

2 系统组成与工作原理

系统由FPGA核心板、D/A转换电路、加法器电路、A/D转换电路、直流稳压电源、键盘和显示等部分组成。

系统总体框图如图1所示。

双路低频信号由一块FPGA产生，通过按键控制频率、幅度等参数，参数实时显示在数码管上，2路信号送入加法器进行求和，然后经过A/D采样给另一块FPGA,并对信号进行快速傅里叶变换处理后提取出频域信号，频谱图可以通过示波器观察，最后分别显示叠加前两路正弦信号的频率和幅度。

3硬件电路板设计

3.1 FPGA核心板设计

FPGA核心板担负着数据发送和分析的任务，是本系统最为关键的部分。FPGA核心板采用的是Xilinx公司Spartan3系列的XC3S400一PQ208型40万门芯片，其配置芯片为Xilinx公司的专用配置PROM芯片XCF02S,以实现加电自动配置。核心板采用5 V输入，板上有两块LM317电源芯片分别输出3.3 V和2.5 V电压。板上采用40 MHz有源晶振，能够满足高速设计要求。核心板140支I/0口全部引出，非常便于与外围器件的连接及系统的扩展。最小系统框图如图2所示。

3.2 D/A转换电路设计D/A部分采用14位模数转换芯片AD9764AR,双差分电流输出，差分操作不仅有助于消除与IOUTA和IOUTB相关的共模误差源，比如噪声、失真和直流偏置，而且为负载提供了两倍信号功率。电路如图3所示。

3.3加法器电路设计采用AD81IAN芯片求和电路如图4所示。

放大器的典型运算电路，两路信号求和输出。

根据计算公式：

3.4 A/D转换电路设计

设计中采用ADI公司生产的快速A/D转换芯片AD9224.AD9224为28脚SOIC和SSOP封装的模/数转换器；内部采用闪烁式A/D及多级流水线式结构，因而不失码，使用方便、准确度高；在单一+5V电源下，它的功耗，仅有376 mw,信噪比与失真度为士0.7 dB,完全满足设计要求。AD9224应用电路如图5所示。

　　4软件设计

4.1软件总体设计

软件部分主要包括信号产生模块、人机交互模块、频谱分析模块。整个系统的详细设计流程如图6所示。负责产生信号的FPGA通过扫描按键得到参数，送给数码管显示，并调用IP核产生各种波形n].输出信号的形状通过拨码开关控制负责信号分析的FPGA调用FFT核将频谱信号输出，并从频谱信号中将信号的频率和幅度参数显示出来。  

4.2信号产生模块设计

先通过DDS技术建立正弦波、三角波、锯齿波的IP核和包含占空比控制字的方波IP核。系统启动后，由通道扫描按键输出数值并送给数码管显示，按下确定键后赋给频率、幅度、占空比或相位差等参数控制字，并调用IP核产生各种波形，再通过拨码开关选择输出的波形。参数的步进由按键控制。该模块的详细软件设计流程，如图7所示。

4.3频谱分析模块设计

4.3.1 FFT模块设计

FFT算法的主要核心思想就是将N点的序列分解为（N一1）/2,直到2点的DFT.目前的算法可以从时域和频域分别将分解成不同的子序列，前者称为时间抽选法，后者称为频率抽选法∞3.所谓时间抽选法，就是直接将z（挖）逐次分解成奇数子序列和偶数子序列，通过球子序列的DFT而实现整个序列的DFT.频率抽选法是在频域内将x（愚）逐次分解为偶数点子序列和奇数点子序列。然后对分得越来越短的子序列进行DFT运算，就可以得到整个频域内序列的FFT流图。FFT模块软件流程图如图8所示。

4.3.2频率幅度提取模块设计

频谱分析时将参数提取过程分成频率提取和幅度提取2个阶段。原信号经过A/D采样后进入频谱分析系统，输出频域信号。其中频率提取采用过门限法，首先设定频率提取的门限值，当频点的幅值超过