基于FPGA的簡(jiǎn)易頻譜分析儀

4．3 FPGA及外圍接口模塊
選用CycloneⅢ系列EP3C40F484型FPGA，該器件內(nèi)部有39 600個(gè)LE資源，有1 134 000 bit的存儲(chǔ)器，同時(shí)還有126個(gè)乘法器和4個(gè)PLL鎖相環(huán)。由于該器件內(nèi)部有大量資源，因而可滿足其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)字混頻、數(shù)字濾波、以及FFT運(yùn)算。FP -GA正常工作時(shí)，主要需要的外部接口有：時(shí)鐘電路、JTAG下載電路、配置器件及下載電路。圖5為FPGA的外圍接口電路。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)和FPGA兩部分，單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制單元，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化、鍵盤(pán)輸入控制以及LCD顯示等功能；而FPGA的高速并行計(jì)算性能使其很適合進(jìn)行實(shí)時(shí)性要求較高的信號(hào)處理運(yùn)算。系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

系統(tǒng)上電后，單片機(jī)分別初始化系統(tǒng)各個(gè)模塊，寫(xiě)入默認(rèn)的CIC、FIR濾波器參數(shù)和寫(xiě)入默認(rèn)的數(shù)字混頻器頻率值。初始化完成后，系統(tǒng)開(kāi)始以默認(rèn)的中心頻率和分辨率分析頻譜，進(jìn)入等待鍵盤(pán)輸入狀態(tài)。當(dāng)用戶通過(guò)鍵盤(pán)重新輸人中心頻率和分辨率等參數(shù)后，單片機(jī)重新刷新LCD，同時(shí)可通過(guò)鍵盤(pán)操作LCD上的畫(huà)面，移動(dòng)光標(biāo)，利用軟件計(jì)算對(duì)應(yīng)光標(biāo)處的頻率值并在LCD上顯示，而且還可以對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行放縮以方便觀察頻譜。

6 測(cè)量結(jié)果分析
先通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行仿真，分別用程序測(cè)試頻率為20 Hz的正弦波方波，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7a看出20 Hz正弦波頻譜是一條譜線，其周圍只有很少泄漏頻率分量，符合理想情況。圖7b是20 Hz方波的分析結(jié)果，其基波，第三、第五、第七次諧波的幅度滿足1、1／3、1／5、1／7、1，9的理論結(jié)果。

7 結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)能夠方便地在LCD上顯示信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)圖。操作簡(jiǎn)單，便于學(xué)生進(jìn)行操作，有助于實(shí)驗(yàn)教學(xué)課上學(xué)生更直觀認(rèn)識(shí)信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。