CN201298058Y - 基于fpga的高集成度程控滤波器分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA的高集成度程控滤波器分析装置，涉及一种滤波器特性分析装置。本实用新型包括控制分析部分(10)、信号输入调理部分(20)、幅频特性测试仪部分(30)、可编程滤波器部分(40)、人机交互部分(50)和数模转换器(60)；人机交互部分(50)和控制分析部分(10)相互连接，控制分析部分(10)分别和信号输入调理部分(20)、幅频特性测试仪部分(30)、可编程滤波器部分(40)、数模转换器(60)连接。本实用新型可供选择的滤波器种类多，包括高通、低通、带通、带阻四种类型，同时还加入了FIR及IIR两种数字滤波器，主要应用于信号处理领域，进行信号的滤波，放大，幅频分析，失真度和频谱分析。

Description

基于FPGA的高集成度程控滤波器分析装置

技术领域

本实用新型涉及一种滤波器特性分析装置，尤其涉及一种基于FPGA的高集成度程控滤波器分析装置。

背景技术

近年来，各种滤波技术相当成熟和完善，设计滤波器的原理从模拟电路到数字信号处理都得到了广泛的应用；如基于电容、电感、电阻模拟电路的设计方法已得到了大量的应用，但其本身设计受到了分立元件级间耦合及元件本身相移特性的限制，导致设计周期长，可重复性差。对于数字式滤波则受到了处理器运算能力的限制，但随着处理器运算能力的提高，数字式滤波器也渐渐受到人们的重视。同时，在滤波器设计过程中，还会使用其它另外的测试仪器对所设计的滤波网络进行幅频特性、失真度和频谱进行分析，又会给其测试过程带来不便。

发明内容

本实用新型的目的就在于针对现有技术存在的上述问题和不足，提供一种基于FPGA的高集成度程控滤波器分析装置。该装置具有高通、低通、带通、带阻可供选择的滤波器类型，可在0Hz到100KHz内设定滤波器的-3dB截止频率及通频带，还设置了FIR及IIR数字滤波器，其本身具有对所设计的滤波网络进行幅频特性、失真度和频谱进行分析能力，是一种高集成化的设计。

本实用新型提供的技术方案是：

包括控制分析部分、信号输入调理部分、幅频特性测试仪部分、可编程滤波器部分、人机交互部分和数模转换器；

人机交互部分和控制分析部分相互连接，控制分析部分分别和信号输入调理部分、幅频特性测试仪部分、可编程滤波器部分、数模转换器连接。

本实用新型的工作原理是：

待处理的信号先进入信号调理电路部分的自动增益放大器和程控衰减器，然后通过通道选择进入到可编程滤波器部分输出，此为本装置的可编程滤波器功能。经过可编程滤波器部分后的信号还可进入模拟峰值检波，经模数转换器转换为数字信号后，由存储器存储，再经FPGA对存储的数据进行数字信号处理分析，得到信号的失真度和频谱，所计算的结果经显示器显示出来。其中，FPGA还可控制AD9851控制模块产生扫频信号，信号进入可编程滤波器部分，然后再经过模拟峰值检波，经模数转换器转换为数字信号，再由存储器存储，经FPGA将存储的数据通过数据总线送到显示器显示出来。

①可编程滤波器部分

用户通过人机交互部分输入选择可编程滤波器的类型，数据总线将控制数据送到可编程滤波器部分完成了可编程滤波器功能；

②失真度及频谱分析部分

经过可编程滤波器部分的输出信号进入模拟峰值检波，经模数转换器转换为数字信号后，由存储器存储，再经FPGA对存储的数据进行快速傅立叶变换，得到信号的频谱，将所得到的频谱值(谐波分量)由失真度定义计算得到失真度。

③基于无限冲击响应或有限冲击响的数字滤波部分

将存储器存储的数据进行基于无限冲击响应或有限冲击响应运算处理，将处理后的数据经数模转换器还原出基于无限冲击响应或有限冲击响的数字滤波后的信号。

④幅频特性测试仪部分

FPGA可控制基于DDS原理的AD9851芯片模块产生扫频信号，信号进入可编程滤波器部分，然后再经过模拟峰值检波，经模数转换器转换为数字信号，再由存储器存储，经FPGA将存储的数据(即幅频特性曲线)通过数据总线送到显示器显示出来。

本实用新型具有下列优点和积极效果：

①本装置集成度高，其集可编程滤波器、幅频特性测试仪、失真度分析、频谱分析仪和基于FIR或IIR的数字滤波器为一体。

②本装置的可编程滤波器结构简单，但提供的可供选择的滤波器类型全面，包括了高通、低通、带通、带阻四种类型。且其通带范围广，在0Hz到100KHz内。输入信号范围广，可对1mV到5V的输入信号进行信号的滤波，放大，幅频分析，失真度和频谱分析。

③本装置充分发挥了FPGA的优势，在其内部集成了FIR或IIR滤波器、频谱分析仪和失真度分析仪，使系统具有很强的数字信号处理和分析能力。

④可将本装置产品化，作为仪器在信号测试及处理领域发挥全面、便捷、高效等优势。

本实用新型主要应用于信号处理领域，进行信号的滤波，放大，幅频分析，失真度和频谱分析。其新型性主要体现在，可供选择的滤波器种类多，包括高通、低通、带通、带阻四种类型，主要由基于集成开关电容代替电阻的可编程芯片实现，同时还加入了FIR及IIR两种数字滤波器，将目前常用的模拟和数字滤波技术融为一体，是目前滤波领域不可多见的一个系统。运用FPGA强大的逻辑单元和处理能力，系统还集成了信号的失真度分析、频谱分析及幅频特性测试仪，可以将当前用户所设定的滤波网络的失真度、频谱及幅频特性方便、直观地显示出来，而无需其它仪器的辅助，这使仪器的一体化优势得到了大大的体现。

附图说明

图1是本实用新型结构框图；

图2是本实用新型程序控制流程示意图。

其中：

10—控制分析部分(基于FPGA的系统控制及滤波器特性分析部分)，

11—数据总线，           12—控制与计算模块，

13—AD9851控制模块，     14—存储器；

20—信号输入调理部分，

21—第一自动增益放大器，  22—程控衰减器；

30—幅频特性测试仪部分，

31—AD9851芯片，         32—第二自动增益放大器，

33—模数转换器，         34—模拟峰值检波；

40—可编程滤波器部分，

41—通道选择，      42—程控滤波器；

50—人机交互部分(基于单片机的人机交互部分)，

51—键盘，          52—单片机，   53—显示器；

60—数模转换器。

英译汉：

FPGA—Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列；

FIR—Finite Impulse Response，无限冲击响应；

IIR—Infinite Impul se Response，有限冲击响应；

FFT—Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换；

LCD—Liquid Crystal Display，液晶显示器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、总体

如图1，本实用新型包括控制分析部分10、信号输入调理部分20、幅频特性测试仪部分30、可编程滤波器部分40、人机交互部分50和数模转换器60；

人机交互部分50和控制分析部分10相互连接，控制分析部分10分别和信号输入调理部分20、幅频特性测试仪部分30、可编程滤波器部分40、数模转换器60连接。

二、各功能块

1、控制分析部分10

控制分析部分10是一种基于FPGA的系统控制及滤波器特性分析部分，包括数据总线11及其分别连接的控制与计算模块12、AD9851控制模块13和存储器14；

其中：

FPGA选用Altera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8的一款FPGA芯片，FPGA配置芯片选择该公司的EPC4芯片；该FPGA芯片具有JTAG(Joint Test ActionGroup)接口，通过QUARTUS II7.0软件进行编写程序代码，然后通过JTAG完成程序的正确下载和配置。使用编程语言为硬件描述语言Verilog HDL，使JTAG对FPGA进行在线仿真和调试，最终的调试程序下载和配置到其配置芯片EPC4中。

所述的数据总路线11主要用于协调各部分动作时的数据流向的控制。

所述的控制与计算模块12主要用来实现对信号的分析和处理，它实现了基于FFT算法的频谱分析，利用FFT算法求得的谐波分量实现了失真度计算，实现了信号的数字滤波功能，包括FIR及IIR数字滤波器。

所述的AD9851控制模块13主要实现了对AD9851芯片控制，包括对频率、幅值及相位的控制，从而得到了频率特性测试仪部分30所需要的扫频信号源。

所述的存储器14主要用于存储FPGA的运算数据。

2、信号输入调理部分20

信号输入调理部分20由前后连接的第一自动增益放大器21和程控衰减器22组成；

第一自动增益放大器21的放大器选用Analog Devices公司的AD603芯片，是一种低噪声、电压控制增益的新型运放。

程控衰减器22由National Semiconductor数模转换器DAC0800来实现。

第一自动增益放大器21将输入信号自动调整固定在4到5V之间，用户通过键盘50输入控制程控衰减器22可将信号进行衰减调节。

3、幅频特性测试仪部分30

幅频特性测试仪部分30由AD9851芯片31、自动增益放大器32、模数转换器33和模拟峰值检波34组成；

AD9851控制模块13、AD9851芯片31、自动增益放大器32和可编程滤波器部分40依次连接。

可编程滤波器部分40、模拟峰值检波34、模数转换器33和存储器14前后依次连接。

AD9851芯片模块31选用Analog Devices公司最新推出的采用先进的CMOS技术生产的直接数字合成器，由FPGA控制，用于产生扫频信号。

第二自动增益放大器32同第一自动增益放大器21。

模数转换器33选用Maxim Integrated Products(美信公司)的常用模数转换器MAX118实现。

模拟峰值检波34由二极管模拟峰值检波电路和运算放大器LF386组成。

AD9851芯片模块31产生的扫频信号，经过模拟峰值检波34峰值检波后，再利用模数转换器33转换得到与此频率所对应的峰值的数字量，再经控制与计算模块12处理、存储器14存储后，经显示器53显示出幅频特性曲线。

4、可编程滤波器部分40

可编程滤波器部分40由前后连接的通道选择41和程控滤波器42组成；

通道选择41选用双四选一模拟开关CD4052实现；

可编程滤波器42选用Maxim Integrated Products(美信公司)的开关电容滤波器芯片MAX262来实现。

通过单片机52控制，用户可通过键盘51将其设置为高通、低通、带通、带阻滤波器类型，并设置滤波器的截止频率及通频带。

5、人机交互部分50

人机交互部分50由前后依次连接的键盘51、单片机52和显示器53组成；

单片机52作为系统的协处理器，主要通过键盘51输入完成对用户对程控滤波器42的设置参数，协调FPGA的数据流；单片机52选用ATMEL公司的单片机AT89S52。

键盘51包括一个4*4的矩阵键盘和6个独立功能按键，完成所有用户输入要求；

显示器53为液晶显示，其大小为64*128点，采用T6963作为内藏驱动。

二、系统主体操作程序流程

如图2，系统主体操作程序流程包括下列步骤：

①程序运行开始(A)；

②初始化(B)，包括单片机寄存器初始化、LCD显示工作界面、FPGA初始化运行；

③等待用户键盘输入(C)，若用户未输入则继续等待，有输入则转入到下一步骤；

④选择

或选择频谱分析(D)，FPGA控制RAM进行存储模数转换得到的数据，再运用快速傅立叶变换对数据进行处理，然后将运算后的频谱在液晶显示器上显示；

或选择失真度分析(E)，FPGA运用选择频谱分析(D)中快速傅立叶变换对数据进行计算得到的各谐波分量，然后运用失真度的计算公式计算出失真度，最后在液晶显示器上显示出来；

或选择低通、高通、带通、带阻滤波器(F)，选定滤波器类型后，然后设置所选滤波器的-3dB截止频率及通频带；

或选择FIR或IIR数字滤波器(G)，FPGA运用有限冲击响应或无限冲击响应所对应的传递函数对数据进行计算，然后将所计算的结果送到模数转换器，完成FIR或IIR数字滤波器功能；

或选择幅频特性测试仪(H)，用户选择此功能用于测试当前程控滤波器网络的幅频特性，最终将幅频物特性曲线通过液晶显示器显示出来；

⑤LCD显示(I)，通过LCD将用户的输入显示出来，或将FPGA计算后的频谱、失真度和幅频特性曲线显示出来；

⑥等待返回(J)，等待FPGA运算完成，然后返回步骤③。

Claims (6)

1、一种基于FPGA的高集成度程控滤波器分析装置，其特征在于：

包括控制分析部分(10)、信号输入调理部分(20)、幅频特性测试仪部分(30)、可编程滤波器部分(40)、人机交互部分(50)和数模转换器(60)；

人机交互部分(50)和控制分析部分(10)相互连接，控制分析部分(10)分别和信号输入调理部分(20)、幅频特性测试仪部分(30)、可编程滤波器部分(40)、数模转换器(60)连接。

2、按权利要求1所述的高集成度程控滤波器分析装置，其特征在于：

控制分析部分(10)是一种基于FPGA的系统控制及滤波器特性分析部分，包括数据总线(11)及其分别连接的控制与计算模块(12)、AD9851控制模块(13)和存储器(14)。

3、按权利要求1所述的高集成度程控滤波器分析装置，其特征在于：

信号输入调理部分(20)由前后连接的第一自动增益放大器(21)和程控衰减器(22)组成。

4、按权利要求1所述的高集成度程控滤波器分析装置，其特征在于：

幅频特性测试仪部分(30)由AD9851芯片(31)、第二自动增益放大器(32)、模数转换器(33)和模拟峰值检波(34)组成；

AD9851控制模块(13)、AD9851芯片(31)、第二自动增益放大器(32)和可编程滤波器部分(40)依次连接；

可编程滤波器部分(40)、模拟峰值检波(34)、模数转换器(33)和存储器(14)前后依次连接。

5、按权利要求1所述的高集成度程控滤波器分析装置，其特征在于：

可编程滤波器部分(40)由前后连接的通道选择(41)和程控滤波器(42)组成。

6、按权利要求1所述的高集成度程控滤波器分析装置，其特征在于：

人机交互部分(50)由前后依次连接的键盘(51)、单片机(52)和显示器(53)组成。

Images