赛灵思FPGA DIY系列（2）：数字存储扫频仪

嵩阳铁剑 2012-12-06 8758

参考设计

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描述

　　1.设计摘要

　　频率特征测试仪是用来测量电路传输特性和阻抗特性的仪器，简称扫频仪。扫频信号源是扫频仪的主要功能部件，作用是产生测量用的正弦扫频信号，其扫频范围可调，输出信号幅度等幅。本设计采用DDS（数字频率合成技术）产生扫频信号，以Xilinx FPGA为控制核心，通过A/D和D/A等接口电路，实现扫频信号频率的步进调整、幅度与相位的测量，创新的使用了计算机软件作为仪器面板来显示被测网络幅频特性与相频特性，并且测试结果可保存到各种存储介质中。

　　2.适用范围以及针对用户群

　　作为一种仪器可以用于各种实验教学及科研场合。

图1 整体设计框图

　　3.具体功能模块

　　3.1 DDS扫频信号产生模块

　　直接数字频率合成技术（Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS）是一种全数字技术，与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。

　　DDS的基本原理是：相位累加器对频率控制字进行累加，利用相位累加寄存器的值对存储正弦波形的查找表进行寻址，使之输出相应的幅值码，幅值码再经过数模转换器DAC得到相应的阶梯波，最后使用椭圆低通滤波器对其平滑得到所需的连续波形频率信号。

图2 DDS原理图

　　3.2 被测系统参数测量模块

　　1）幅频特性测量：扫频信号输出幅值是确定的，只需测出被测系统输出信号的幅度，即可算得其增益。测量输出幅值使用A/D转换器及外围检测电路实现。

　　2）相频特性测量：扫频信号和被测系统输出信号经过触发电路变换为矩形波，送入测相逻辑电路中。测相逻辑电路由参考时钟对相位差进行计数测量，从而得到两者的相位差值。

　　3.3 上位机软件设计部分

　　我们使用VB进行软件编程，通过MSComm控件进行串口通信，控制系统的工作状态和波形数据的显示。通过软件设置可以控制扫频信号的起始频率和终止频率。显示时可以直接显示和对数显示，并可以通过文件的方式将波形数据保存下来。软件界面如图所示：

图3 上位机软件界面

　　4. 性能参数

　　(1) 扫描方式：线性、对数。可直接显示光标位置的频率值、幅度值、相位值;

　　(2) 幅频特性测试扫频范围：10Hz~20MHz;

　　(3) 相频特性测试扫频范围：10Hz~30MHz;

　　(4) 输出电压：0.5~3VRMS可调;

　　(5) 输出阻抗：50Ω;

　　(6) 相位分辨率：1°;

　　(7) 显示方式：PC机软件显示;

　　(8) 重量：1.5Kg.

　　5.设计与制作过程

　　5.1 软件设计

　　软件部分verilog源代码及VB源代码下载，详见：【FPGA数字存储扫频仪（源代码+电路图+PCB图）.rar 】

图4 软件调试时的截图1（不正确）

图5 软件编写时的截图

图6 示波器观测DA扫频信号1

图7 示波器观测DA扫频信号2

图8 工作界面

　　5.2 硬件电路图及调试

　　总体硬件电路图及PCB图，详见：【FPGA数字存储扫频仪（源代码+电路图+PCB图）.rar 】

　　DA转换器原理图

图9 DA转换器原理图

图10 DAC输出级滤波器电路

图11 AD电路

图12 触发电路

图13 Xilinx EXCD-1开发板及接口电路

　　6.设计特点

　　传统的模拟扫频仪由于体积笨重、功能单一、精确度不高等缺点已逐渐不能满足现代化电子信息科学发展的要求，而数字扫频仪价格较高，不适合普通实验教学场合。本设计将扫频仪的主要处理部件全部集成到一块FPGA中实现，既克服了模拟扫频仪的缺点，又降低了仪器成本，同时我们还创新地编写了计算机软件作为仪器面板，简化了设计复杂度，使用灵活性得到很大的提高。

　　本作品信号的发生和处理（如信号幅度检测、信号有效值检测、相位比较等）均由FPGA芯片完成，不必另外采用独立的DDS芯片、幅度检测芯片、相位检测芯片。大大降低了系统复杂度和成本。得益于这样的设计，本作品同时也可作为一个良好的信号发生器和一个示波器使用。

　　7.比赛视频链接地址

　　http://u.youku.com/user_video/id_UMjA4ODk1MDMy.html

　　该视频共四个部分，分别介绍了整体情况、运行情况、硬件介绍、核心板介绍。

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