單片機與FPGA在信號測試中的重要作用解析方案

1 引言

在學習《電子線路》、《信號處理》等電子類課程時，高校學生只是從理論上理解真正的信號特征。不能真正了解或觀察測試某些信號。而幅頻特性和相頻特性是信號最基本的特征.這里提出了基于單片機和FPGA的頻率特性測試儀的設計方案，可使學生在實踐中真正觀察和測試信號的頻率特性。

2 設計方案

該系統(tǒng)設計采用掃頻測試法。設頻率響應為H(jω)，實系數(shù)線性時，不變系統(tǒng)在正弦信號x(n)=Acos(ω0n+ψ)的激勵下的穩(wěn)態(tài)輸出為y(n)。利用三角恒等式，將輸入x(n)表示為兩個復數(shù)指數(shù)函數(shù)之和：

若輸入為exp(jω0n)，線性時不變系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出為H(exp(jω0n))exp(jω0n)。根據(jù)線性性質可知，輸入g(n)的響應v(n)為：

同理，輸入g*(n)的輸出為v*(n)是v(n)的復數(shù)共軛。于是輸出y(n)的表達式：

由上可知，當系統(tǒng)在正弦信號的激勵下，輸出響應達到穩(wěn)態(tài)，這是與輸入激勵信號頻率相同的正弦波，響應信號與激勵信號幅值比為該頻率的幅頻響應值，而兩者的相位差為相頻特性值。因此采用掃頻法測量頻率特性。

以單片機和FPGA為核心，利用FPGA通過DDS合成得到且頻率由單片機控制的正弦波作為掃頻信號，將其輸入至待測網(wǎng)絡，由峰值檢波電路分別測量各掃頻信號對應的輸入網(wǎng)絡信號和輸出網(wǎng)絡信號，并由其比例關系求得待測網(wǎng)絡的幅頻特性。測量幅度的同時FPGA利用計數(shù)法測量出代表進出網(wǎng)絡信號的相位差的脈沖數(shù)，然后送入單片機得到對應頻率點的相角。將各頻點得到的幅度特性和相位特性存入FPGA內部的RAM中，并結合鋸齒波顯示在示波器上。同時，LCD還顯示掃描頻率的初始值、終止值和步進值。定點測量時，LCD顯示單個頻率點的幅度和相位。該系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

3 硬件電路設計

3.1 信號產(chǎn)生模塊

利用FPGA內部的DDS信號輸出掃頻信號經(jīng)D/A轉換器形成正弦信號。D/A轉換器選用DAC0800。DAC0800具有8位分辨率，輸出電流建立時間為100 ns，8位的位寬，工作電壓范圍為±4.5~±18 V。因此，經(jīng)DAC0800所形成的正弦信號有256個取樣值，完全能滿足系統(tǒng)精度要求。輸出正弦信號的最高頻率為200 kHz，100 ns的速率也滿足系統(tǒng)要求。由于DAC0800只具有從數(shù)字量到模擬電流輸出量轉換功能，因此.需增加運算放大器實現(xiàn)I—V轉換，其轉換電路如圖2所示。DDS信號輸出需要加低通濾波器來平滑濾波，以減少信號的諧波分量。