基于PIC及FPGA的简易信号分析仪设计.pdf

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1、第28卷第1期大学物理实验V01．28No．12015年2月PHYSICALEXPERIMENT0FCOLLEGEFeb．2015文章编号：1007-2934(2015)01-0014-05基于PIC及FPGA的简易信号分析仪设计白炳良，王灵芝(闽南师范大学，福建漳州363000)摘要：高速数据采集与信号分析是信号分析仪的关键。设计以PIC16F877A单片机为核心，DA芯片MCP4922及可变增益放大器AD603构成程控放大电路；CCP模块实现频率测量；AD转换器AD9288及FPGA实现高速实时数据采集，并由LCD液晶显示被测数据及波形。由单片机读取FPGA中FIFO的缓存数据，

2、实现对正弦波、三角波、方波等幅值、电压真有效值的测量及信号波形判断，实验效果实用良好。关键词：高速数据采集；单片机；现场可编程门阵列；FIFO技术；高速模数转换器；程控放大电路中图分类号：TN919文献标志码：ADOI：10．14139／j．cnki．cn22．1228．2015．O1．005随着微电子技术和计算机技术的不断发展，信号的分析变得越来越重要，信号分析仪是一种1系统设计框图及工作原理可以用来观察、测量、记录各种瞬时电压，并能以波形方式显示其与时间关系的电子测量仪器。它系统框图如图1所示。采用PIC16F877A单能说明信号的许多特性参数：频率、幅度、真有效片机作为系统控制

3、核心。可变衰减器由继电器、值等，并能对输入信号波形自动识别。电阻网络及跟随器实现1：1或10：1信号变比；高速实时的数据采集经模数转换后，必须要由12位DA转换器MCP4922、AD603组成的程控求具有与之匹配的高速缓存器件，传统的数据采放大器；放大及整形电路将待测信号转换为矩形集方案已不能满足高速实时数据采集应用，因此波，由单片机的CCP模块实现频率测量；程控放需要设计高性能的数据采集与处理系统J。由大器的输出信号与一直流分量由加法器实现叠于单片机指令周期及数据处理速度的问题，无法加，使待分析的信号均处于Y轴正半轴；由高速并满足高速实时数据采集，FPGA具有高的时钟频行AD芯片A

4、D9288、可编程逻辑器件FPGA中的率、运行速度快、功耗低、组成灵活等特点[2-31。FIFO模块实现对输人信号至少一个周期数据的因此设计了利用单片机、高速AD、FPGA等构成存储，单片机根据需要实时读取FIFO中的数据，信号分析仪：实现周期信号频率范围为20Hz～这样解决了慢速CPU号陕速数据的读写问题；单250KHz、输入电压范围为0．05Vpp一10Vpp的片机对读取的数据进行处理，实现在LCD液晶屏情况下，系统能完成对正弦波、三角波、方波三种上显示输入信号波形、峰峰值、频率、真有效值等。输入信号相关参数的测量并显示波形。图1系统框图收稿日期：2014-09—15基金项目：福

5、建省教育厅科技项目(JK2013028)基于PIC及FPGA的简易信号分析仪设计关系：Gain(dB)=40+G。，当5脚和7脚断2硬件设计与分析开时，Go=30，所以，Gain(dB)=40+3O，即增益的范围为10～5OdBj。图中MCP4922是2．1程控放大器个双通道12位的数模转换器，5V电压由5K电AD603是一个压控型的可变增益放大器，位器调节A通道参考电压VREFA，MCP4922采VINP为信号输入端，它的增益的调整与其1脚和用SPI总线方式与PIC通信，由VOUTA端可输出2脚的电压差有关，当一0．5V<<0．5V数控模拟电压u1。从而实现程控放大并由时，增益(d

6、B)与其电压差(V)之间满足线性VOUT端输出U2，见图2。图2程控放大器由IC1A与IC1B组成的加法器是使待分析的数据线实现信息存储J。的信号均处于Y轴正半轴，其输出信号U3送ADFIFO为先进先出的存储器，速度高，存储方转换。便。FIFO中的数据是队列结构，会出现溢出现2．2并行AD转换器AD9288及FPGA模块象。当向一个满的FIFO中写入数据时，就会把由于待分析输入信号频率为20Hz～250KHz，最新进入的数据排挤出去，存入存储器中。在对波形离散化采样及存储时，采样速度必须足够CPU设计、高速数据采样存储、显示缓存、高速通快才能采集到完整正确的信息，所以系统采用高信缓存

7、等方面有重要的应用]。系统根据不同速并行AD芯片AD9288对输入信号进行实时频率的信号，选择不同的采样率将数据存储于采样。FIFO；存满后等待PIC的读写信号和时钟信号，如图3所示，AD9288是一款100Msps采样速按照FIFO的先进先出的顺序读取FIFO存储的率的双通道8位高速模数转换器，内部由两个跟数据。踪／保持放大器，两个A／D变换器，一个逻辑控制FIFO数据线经220fl电阻后接到单片机RB0～器，两个时钟模块，一个内部参考电压模块和两个RB