基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計與仿真

　　4 FIR濾波器實驗電路

　　完成FIR濾波器程序設(shè)計后，可將程序編譯時生成的配置文件下載到選用的器件中，配置后的器件就能夠執(zhí)行FIR濾波器的功能。為了驗證設(shè)計的FIR濾波器的實際濾波效果，設(shè)計了一個實驗電路，并利用測試儀器，組成了測試系統(tǒng)，如圖3所示。該測試系統(tǒng)包含交流信號發(fā)生器、實驗電路和示波器。而實驗電路包括MD轉(zhuǎn)換電路、FIR數(shù)字濾波電路和D/A轉(zhuǎn)換電路，它是整個測試系統(tǒng)的重要部分。

　　4.1 A/D轉(zhuǎn)換電路

　　A/D轉(zhuǎn)換電路可將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，其電路如圖4所示。該轉(zhuǎn)換電路中選用MAXIM公司的12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器MAXl83，其轉(zhuǎn)換時間為3μs。MAXl83設(shè)置為雙極性工作模式，模擬信號的輸入范圍是±5 V。

　　交流信號發(fā)生器發(fā)送的信號從連接器進入轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)運算放大器OP07構(gòu)成的反向比例放大電路送至MAXl83的模擬信號輸入端AINl。在一定時序的控制下，完成將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將其數(shù)字信號XIN[11..0]輸出。該A/D轉(zhuǎn)換器MAXl83的模擬信號輸入端接入一個單級的RC低通濾波器，它實際上是一個簡單的抗混疊濾波器。

　　4.2 D/A轉(zhuǎn)換電路

　　D/A轉(zhuǎn)換電路可將數(shù)字輸入信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，其電路如圖5所示。該電路選用MAXIM公司的電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器MX7245，其輸出的模擬信號為電壓信號，并具有12位的數(shù)據(jù)輸入端。電路中，MX7245被配置成雙極性工作模式，模擬電壓信號的輸出范嗣為±5 V。在一定時序的控制下，D/A轉(zhuǎn)換器將輸入端接收到的數(shù)字信號YOUT[11..0]轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。在模擬信號的輸出端連接由電阻和電容構(gòu)成的一個低通濾波器，具有平滑濾波的作用。

　　4.3 FIR數(shù)字濾波電路

　　圖6給出FIR數(shù)字濾波電路。該電路包括高密度可編程邏輯器件、有源品體振蕩器、10針插座以及多只電阻和按鍵開關(guān)。這里選用的高密度可編程邏輯器件為AIXERA公司FLEXlOK系列的EPF10K20RC240—3。

　　配置的濾波器設(shè)計后，利用器件中的剩余資源，即由EPFl0K20RC240—4型FPGA控制A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的功能。因此RD、ADCS、WR、LDAC、DACS這些引腳就是用于控制A/D轉(zhuǎn)換器電路和D/A轉(zhuǎn)換器電路的輸出引腳。其中，引腳RD、ADCS分別與A/D轉(zhuǎn)換器的引腳RD、CS相連，而引腳WR、LDAC、DACS分別與D/A轉(zhuǎn)換電路的引腳WR、LDAC、CS相連。

　　5 濾波效果測試

　　將設(shè)計的低通濾波器的配置文件下載到器件中進行實際濾波測試，用示波器觀察各個頻率點上輸出信號的幅值大小。由濾波測試結(jié)果可知，該FIR濾波電路完全達到低通濾波器5 MHz的采樣頻率，1.5 MHz的截止頻率，以及16階的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)。圖7為原始波形，圖8為濾波后的波形。

　　6 結(jié)語

　　研究了在FPGA中采用分布式算法實現(xiàn)FIR濾波器的原理和方法，設(shè)計了FIR濾波器并借助Altera公司的FPGA器件和0uartusⅡ軟件對設(shè)計方案進行仿真驗證，測試結(jié)果完全能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。