基于单片机+FPGA频谱分析仪系统电路设计详解

　　目前，由于频谱分析仪价格昂贵，高等院校只是少数实验室配有频谱仪。但电子信息类教学，如果没有频谱仪辅助观察，学生只能从书本中抽象理解信号特征，严重影响教学实验效果。针对这种现状提出一种基于FPGA的简易频谱分析仪设计方案，其优点是成本低，性能指标满足教学实验所要求的检测信号范围。

设计方案

图1为系统设计总体框图。该系统采用C8051(＄8.5125)系列单片机中的C8051(＄8.5125)F121作为控制器，CvcloneⅢ系列EP3C40F484C8(＄86.5000)型FPGA为数字信号算法处理单元。系统设计遵循抽样定理，在时域内截取一段适当长度信号，对其信号抽样量化，按照具体的步骤求取信号的频谱，并在LCD上显示信号的频谱，同时提供友好的人机会话功能。该系统最小分辨率为1 Hz，可分析带宽为0~5 MHz的各种信号。

由于单片机C8051(＄8.5125)F121内部集成A／D转换器，能够有效测量自动增益控制AGC压差，计算出对输入信号的放大倍数；另外，该单片机内置高速控制内核和丰富的存储器，使其能够控制整个系统；EP3C40F484C8(＄86.5000)型FPGA内置丰富的存储器资源，确保该系统具有足够的空间存储采集的点数，完成离散傅里叶变换、数字滤波器、数字混频等信号处理。

AGC电路

输入信号经高速A／D采样，信号幅度必须满足A／D的采样范围，最高为2-3V，因此该系统设计应加AGC电路。AGC电路采用AD603(＄6.4440)型线性增益放大器。图3为AGC电路。

A／D转换电路

ADS2806(＄21.5437)是一款12位A／D转换器，其特点为：无杂散信号动态范围（SFDR）为73 dB；信噪比（SNR）为66 dB；具有内部和外部参考时钟；采样速率为32 MS／s。图4为ADS2806(＄21.5437)的电路。为使A／D转换更稳定，在A／D转换器的电源引脚上增加滤波电容，抑制电源噪声。该电路结构简单，在时钟CLK的驱动下，数据端口实时输出数据，供FPGA读取。

FPGA及外围接口模块

选用Cyclone(＄898.9000)Ⅲ系列EP3C40F484(＄86.5000)型FPGA，该器件内部有39 600个LE资源，有1 134 000 bit的存储器，同时还有126个乘法器和4个PLL锁相环。由于该器件内部有大量资源，因而可满足其内部实现数字混频、数字滤波、以及FFT运算。FP -GA正常工作时，主要需要的外部接口有：时钟电路、JTAG下载电路、配置器件及下载电路。图5为FPGA的外围接口电路。

该系统能够方便地在LCD上显示信号的频谱结构图。操作简单，便于学生进行操作，有助于实验教学课上学生更直观认识信号频谱结构，从而促进实验课教学。