郭睿楠， 李 冶， 王義濤

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130026)

?

基于FPGA和LabVIEW的虛擬頻率特性測試儀設(shè)計(jì)

郭睿楠， 李 冶， 王義濤

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130026)

為了提高數(shù)據(jù)分析處理能力和充分利用計(jì)算機(jī)資源，設(shè)計(jì)了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和LabVIEW開發(fā)環(huán)境的虛擬頻率特性測試儀。遵循模塊化理念搭建了以單片機(jī)為控制單元，USB芯片為通信單元的硬件電路，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和時(shí)鐘控制等功能，提高了電路的集成度。采用數(shù)據(jù)流思想，在圖形化編程軟件LabVIEW中開發(fā)了人機(jī)交互界面，可以操作儀器發(fā)出掃頻信號，顯示頻率特性曲線，還能對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到用戶感興趣的參數(shù)，同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，儀器能夠滿足教學(xué)領(lǐng)域的要求。與同類設(shè)計(jì)相比，該方案具有成本低，靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)場可編程門陣列； 頻率特性測試儀； 虛擬儀器； LabVIEW

0 引 言

傳統(tǒng)的電子測量儀器是由廠商制造，采用固化的系統(tǒng)軟件和固定的硬件電路的測試設(shè)備，其系統(tǒng)封閉，擴(kuò)展性能差。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心平臺，選取基本的測試硬件作為信號的接口，靈活度高，開發(fā)維護(hù)成本低[1]。

電路在輸入正弦信號情況下，輸出隨輸入信號頻率連續(xù)變化，這種變化關(guān)系稱為電路的頻率特性[2]。頻率特性由幅頻特性和相頻特性組成，是重要的測試參數(shù)。傳統(tǒng)的頻率特性測試儀利用示波管的電子束顯示圖像，電子束在水平方向受掃頻信號影響，在垂直方向受被測信號幅度和相位影響。傳統(tǒng)測試儀的生產(chǎn)成本高，且在數(shù)據(jù)采集分析處理方面存在不足。本文介紹的虛擬頻率特性測試儀，采樣率高，信號帶寬大，能滿足大部分被測信號需求，利用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存和時(shí)鐘控制等功能，使用LabVIEW編輯的上位機(jī)軟件可完成數(shù)據(jù)分析處理的功能，充分利用了計(jì)算機(jī)資源，降低了硬件成本。

1 虛擬頻率特性測試儀總體結(jié)構(gòu)

圖1為虛擬頻率特性測試儀總體結(jié)構(gòu)，掃頻信號發(fā)生電路用作激勵(lì)信號源，激勵(lì)信號和待測電路的輸出信號在調(diào)理電路中被衰減和濾波，而后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，存儲于由FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)存儲器中，最后這些數(shù)據(jù)經(jīng)由通信電路上傳到PC機(jī)中，由儀器操作軟件進(jìn)行分析處理，并將幅頻特性曲線圖、相頻特性曲線圖及相關(guān)特性參數(shù)呈現(xiàn)給使用者。此外，對儀器進(jìn)行功能設(shè)置也是由PC機(jī)軟件完成的。在該過程中，PC機(jī)軟件起到總體控制的作用，儀器微控制器則起到協(xié)同管理的作用。儀器的各硬件模塊均集成在標(biāo)準(zhǔn)3U尺寸的電路板上[3]，使用直流電流源供電，通過USB線與PC機(jī)連接。

圖1 虛擬頻率特性測試儀總體結(jié)構(gòu)

2 虛擬頻率特性測試儀硬件設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)理電路

虛擬頻率特性測試儀的調(diào)理電路有兩條通道，通道A用于接入由儀器自身或外部其他儀器產(chǎn)生的掃頻信號，通道B用于接入待測電路的輸出信號。調(diào)理電路由衰減電路和驅(qū)動放大電路兩部分組成[4]。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路所使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9288要求輸入信號幅值小于0.5 V，因此衰減電路的作用是將輸入信號電壓調(diào)整到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸入電壓范圍內(nèi)?？紤]到掃頻信號頻率較大時(shí)，電路中的分布電容會使輸入信號失真，衰減電路采用補(bǔ)償分壓電路和直接電阻分壓電路相結(jié)合的方案；又考慮到外部其他儀器產(chǎn)生的掃頻信號幅值可能比本儀器自身產(chǎn)生的要大，衰減電路設(shè)計(jì)了1，10，20和50倍四個(gè)檔位，檔位的切換由微控制器通過FPGA調(diào)節(jié)繼電器開閉來實(shí)現(xiàn)。AD9288有差分輸入的要求，因此在衰減電路后面設(shè)計(jì)了驅(qū)動放大電路。將經(jīng)過衰減電路的信號一路直接接入AD9288差分輸入其中一個(gè)引腳；另一路經(jīng)過驅(qū)動放大電路接入差分輸入另一個(gè)引腳，以此來完成對于AD9288差分輸入的目的。驅(qū)動放大電路選用TL072D放大器，TL072D是一款JFET輸入運(yùn)算放大器，它的功耗低，輸入共模和差模電壓范圍寬，輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流小，諧波失真小，噪聲低，電壓轉(zhuǎn)換速率高達(dá)13 V/μs，帶有輸出短路保護(hù)，完全能夠滿足本儀器需求。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

儀器選用1片AD9288-100作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片[5]。芯片每個(gè)通道采用差分輸入，這樣就減小了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的誤差，提高了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路識別小信號、抗干擾和處理雙極信號的能力。AD9288的兩個(gè)通道分別接入經(jīng)處理的掃頻信號和待測電路輸出信號，兩通道的基準(zhǔn)電壓輸入引腳接入芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。FPGA模塊為芯片的兩個(gè)通道提供時(shí)鐘信號。出于數(shù)據(jù)處理的需要，要求芯片的數(shù)字輸出格式為偏移二進(jìn)制碼，即將芯片的S1引腳置為高電平；S2引腳置為低電平；DFS引腳置為低電平[6]。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字輸出接入FPGA電路。

2.3 FPGA模塊

儀器選用Altera公司Cyclone系列的EP1C3T144C8N作為FPGA模塊的核心芯片，F(xiàn)PGA模塊采用自頂向下的設(shè)計(jì)思想，使用Quartus II開發(fā)，利用VHDL語言編寫[7]。FPGA模塊實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘控制，數(shù)據(jù)存儲器等功能。

時(shí)鐘控制功能是將外部晶振的20 MB時(shí)鐘接入FPGA，由鎖相環(huán)倍頻到200 MB，再分頻成各模塊所需要的時(shí)鐘[8]，如圖2所示。

圖2 時(shí)鐘控制模塊局部

由FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)存儲器為FIFO類型[9]，即先入先出型存儲器。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集到的數(shù)據(jù)首先暫存到FIFO存儲器中，而后當(dāng)PC機(jī)軟件下達(dá)從硬件讀取數(shù)據(jù)的命令時(shí)，F(xiàn)IFO存儲器的數(shù)據(jù)再被上傳到PC機(jī)中。本儀器為掃頻信號輸入通道和被測電路輸出信號通道分別配置了一塊容量為2 kB的FIFO，其外觀如圖3所示。

圖3 FIFO存儲器外觀模型

除此之外，F(xiàn)PGA模塊還有控制調(diào)理電路衰減部分的繼電器，以及實(shí)現(xiàn)掃頻信號電路所需地址發(fā)生器等功能。

2.4 掃頻信號發(fā)生電路

本儀器通道C為內(nèi)置掃頻信號發(fā)生通道。掃頻信號發(fā)生電路應(yīng)用了直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthesizer,DDS)技術(shù)，它的原理如圖4所示。DDS技術(shù)是先將一個(gè)相位與幅度相對應(yīng)的波形表存放在存儲器中，再通過一個(gè)地址發(fā)生器對波形表中的數(shù)據(jù)尋址讀出，最后將讀出的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換和低通濾波獲得所需要的波形[10]。本儀器的波形存儲器使用SRAM芯片CY7C1021CV，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片使用DAC902，地址發(fā)生器由FPGA電路實(shí)現(xiàn)。

圖4 DDS技術(shù)原理框圖

2.5 微控制器電路及通信電路

本儀器的微控制器由單片機(jī)89S52實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)程序使用Keil編寫。儀器運(yùn)行時(shí)，通信電路將由PC機(jī)發(fā)送來的命令I(lǐng)D傳輸給單片機(jī)RAM，單片機(jī)讀取RAM數(shù)據(jù)并執(zhí)行與命令I(lǐng)D相對應(yīng)的函數(shù)。單片機(jī)的數(shù)據(jù)線及地址線與電路各關(guān)鍵控制端口相連，以實(shí)現(xiàn)對儀器整體的控制。

儀器通信電路采用Cypress公司EZ-USB FX2系列的CY7C68013芯片來實(shí)現(xiàn)[11]。該芯片的微處理器程序基于Cypress公司提供的完整固件程序架構(gòu)[12]，依照儀器需求添加其他端點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)的代碼后，該芯片即成為與儀器運(yùn)行模式相契合的通信模塊。

3 軟件設(shè)計(jì)

虛擬頻率特性測試儀軟件由前面板和程序框圖兩部分組成，前面板由LabVIEW多種顯示控件組成，用于設(shè)置儀器各項(xiàng)參數(shù)、反饋儀器狀態(tài)及觀察頻率特性有關(guān)的數(shù)據(jù)和波形。程序框圖由節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)連線構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)之間由數(shù)據(jù)連線按照一定的邏輯關(guān)系相互連接[13]。軟件具體包括波形顯示、波形觀察工具、儀器狀態(tài)顯示、儀器參數(shù)設(shè)置、通信和數(shù)據(jù)處理部分。

3.1 軟件流程圖

如圖5所示，首先運(yùn)行PC機(jī)軟件，在前面板對儀器各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，軟件通信模塊完成參數(shù)在儀器硬件上的配置，硬件按照軟件前面板設(shè)定的參數(shù)要求發(fā)射和采集信號，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由USB線發(fā)送到PC機(jī)，軟件通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將被測網(wǎng)絡(luò)頻率特性曲線及有關(guān)數(shù)據(jù)顯示在PC屏幕上。每完成一次數(shù)據(jù)采集處理后，軟件都會判斷停止鍵是否被按下，若被按下，則結(jié)束程序；若未被按下，則重復(fù)前面的運(yùn)行過程。

圖5 軟件流程圖

3.2 數(shù)據(jù)處理與顯示

上傳到PC機(jī)的是掃頻信號和被測網(wǎng)絡(luò)輸出信號的時(shí)間序列，還需要軟件進(jìn)行處理，如圖6所示。軟件采用快速傅里葉變換獲取信號幅度譜，其中的一次諧波幅值即為當(dāng)前頻率下該信號的幅值，再利用兩信號幅值計(jì)算得到用于表達(dá)待測網(wǎng)絡(luò)幅頻特性的增益。軟件利用帶漢寧窗的快速傅里葉變換獲取信號頻譜[14]，再將頻譜結(jié)合模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣率進(jìn)行處理，得到掃頻信號頻率及兩信號的相位，兩信號的相位差即是用于表達(dá)網(wǎng)絡(luò)相頻特性的量。

圖6 數(shù)據(jù)處理方式

對于已經(jīng)得到的相位差和增益數(shù)據(jù)，采用如圖7的方式將其轉(zhuǎn)化為波形顯示。將每次得到的新增益或新相位差和與之對應(yīng)的掃頻信號頻率分別添加到FOR循環(huán)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)移位寄存器數(shù)組中，再將兩移位寄存器數(shù)組捆綁成簇，并接入XY圖顯示控件[15]，這樣就實(shí)現(xiàn)了幅頻特性曲線圖和相頻特性曲線圖隨掃頻信號頻率變化，逐點(diǎn)顯示出波形的功能。XY圖顯示控件還為用戶提供了可以放大、縮小及移動波形等處理功能。

圖7 波形顯示方式

3.3 軟件通信模塊

軟件通過使用LabVIEW的“調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)”控件來完成與硬件的通信[16]，如圖8所示。該控件所需的動態(tài)鏈接庫使用VC++6.0生成，其關(guān)鍵代碼首先通過調(diào)用win32函數(shù)CreatFile()得到通信電路驅(qū)動程序的句柄，然后調(diào)用win32函數(shù)DeviceIoControl()，經(jīng)由得到的句柄把I/O Control Code和相關(guān)的輸人輸出緩沖區(qū)提交給驅(qū)動程序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通信。

圖8 調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)

4 測試結(jié)果

測試電路為雙T雙跟隨陷波器，電路如圖9所示，其中心頻率約為5.6 kHz，帶寬約為1 kHz。虛擬頻率特性測試儀的內(nèi)置掃頻信號發(fā)射通道與掃頻信號輸入通道和待測網(wǎng)絡(luò)的輸入端相連，待測網(wǎng)絡(luò)的輸出端與

圖9 雙T雙跟隨陷波器

虛擬頻率特性測試儀的待測信號輸入通道相連。測試結(jié)果如圖10所示，得到的幅頻特性曲線和相頻特性曲線與實(shí)際一致，基本滿足要求。

圖10 軟件界面及測試結(jié)果

與傳統(tǒng)頻率特性測試儀相比，本虛擬頻率特性測試儀有以下優(yōu)點(diǎn)：①可依據(jù)用戶不同需求對波形進(jìn)行放大、縮小和移動等操作，人機(jī)交互界面友好；②系統(tǒng)易于維護(hù)和拓展功能，開發(fā)效率高；③系統(tǒng)充分利用PC機(jī)資源來處理數(shù)據(jù)，采樣率高，成本低廉。

5 結(jié) 語

本文介紹了一種基于FPGA和LabVIEW的虛擬頻率特性測試儀設(shè)計(jì)。該儀器除了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)頻率特性測試儀顯示和存儲波形的功能外，還具有協(xié)助用戶細(xì)致觀察和分析頻率特性的功能。儀器硬件部分采用AD9288芯片實(shí)現(xiàn)了高采樣率，利用FPGA實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘控制與數(shù)據(jù)存儲器等功能；儀器軟件部分使用LabVIEW編寫數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，交互界面友好的軟件。試驗(yàn)表明，該儀器穩(wěn)定可靠，能夠滿足測試要求，具有操作簡潔靈活等特點(diǎn)。

本儀器成本低，易于調(diào)試和維護(hù)，具有開放性，既可通過升級硬件亦可通過升級軟件來提高性能，可預(yù)見該虛擬頻率特性測試儀在教學(xué)中有良好的前景。

[1] 陸綺榮. 基于虛擬儀器技術(shù)個(gè)人實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2006：8-10.

[2] 宗榮芳. 基于虛擬儀器技術(shù)的頻率特性測試儀[D]. 南京：南京理工大學(xué)，2008.

[3] 韋建榮. 可重構(gòu)測控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 長春：吉林大學(xué)，2005.

[4] 何 達(dá). 數(shù)字頻率特性測試儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 武漢：華中師范大學(xué)，2013.

[5] 繆軍同，魯新平. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9288及其應(yīng)用[J]. 山西電子技術(shù)，2006(5)：42-49.

[6] 白炳良，王靈芝. 基于PIC及FPGA的簡易信號分析儀設(shè)計(jì)[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015，28(1)：14-18.

[7] 耿三鈞. 基于FPGA的多平臺虛擬儀器研究設(shè)計(jì)[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[8] 徐龍飛. 基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[D]. 太原：中北大學(xué)，2014.[9] 李洪革. FPGA/ASIC高性能數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011：49-51.

[10] Langlois J M P, Al-Khalili D. A Low Power Direct Digital Frequency Synthesizer with 60 dBc Spectral Purity[C]//Proceedings of the 12th ACM Great Lakes Symposium on VLSI. New York: ACM, 2002: 166-171.

[11] 胡 寧，屈 勇，蔣文峰，等. 虛擬儀器通用USB接口設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33(10)：41-45.

[12] 李 鑒，黃大勇. 基于CY7C68013的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2009，25(1-1):97-98.

[13] 周 鵬，許 鋼，馬曉瑜，等. 精通LabVIEW信號處理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2013：12-14.

[14] 林春方. 電子測量與虛擬儀器技術(shù)教程[M]. 合肥：安徽大學(xué)出版社，2008：206-210.

[15] Yan Li. The Reality of Data Acquisition System Based on Virtual Instrument[C]//Proceedings of 2011 IEEE International Conference on Information Theory and Information Security. Hangzhou:ICITIS,2011:83-87.

[16] 劉景峰. 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與多功能分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 太原：中北大學(xué)，2015.

Design of Virtual Frequency-characteristic Measuring-testing Instrument Based on FPGA and LabVIEW

GUORui-nan,LIYe,WANGYi-tao

(Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China)

Aiming to enhance the ability of data processing and take full advantage of computer resources, a virtual frequency-characteristic measuring-testing instrument is designed based on field programmable gate array (FPGA) and under development environment of LabVIEW. Following the idea of modularity, the hardware circuit is constructed with a microcontroller as control unit, and a USB chip is used as the communication unit, in which FPGA realizes functions such as data storage and timing control, and improves the circuit’s integration. Adopting the thought of dataflow, an interactive interface is developed in the graphical programming software of LabVIEW, it contains functions of operating the instrument to generate swept-frequency signal, displaying frequency-characteristic curve, analyzing data to acquire parameters that interests users and supporting data storage capabilities as well. Experimental results show that the instrument can meet requirements in the field of teaching. Compared with similar designs, this project has many advantages, for instance, low cost and high flexibility.

field programmable gate array (FPGA); frequency-characteristic measuring-testing instrument; virtual instrument; LabVIEW

2015-08-27

郭睿楠(1989-)，男，吉林長春人，碩士生，主要研究方向?yàn)樘摂M儀器。Tel.:13596435587；E-mail:kskmfl@163.com

李 冶(1958-)，男，吉林長春人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樘摂M儀器。Tel.:13039311688；E-mail:lye@jlu.edu.cn

TM 933

A

1006-7167(2016)05-0101-04