基于單片機+FPGA頻譜分析儀系統電路設計詳解

　　設計方案

　　圖1為系統設計總體框圖。該系統采用C8051(＄8.5125)系列單片機中的C8051(＄8.5125)F121作為控制器，CvcloneⅢ系列EP3C40F484C8(＄86.5000)型FPGA為數字信號算法處理單元。系統設計遵循抽樣定理，在時域內截取一段適當長度信號，對其信號抽樣量化，按照具體的步驟求取信號的頻譜，并在LCD上顯示信號的頻譜，同時提供友好的人機會話功能。該系統最小分辨率為1 Hz，可分析帶寬為0~5 MHz的各種信號。

　　由于單片機C8051(＄8.5125)F121內部集成A／D轉換器，能夠有效測量自動增益控制AGC壓差，計算出對輸入信號的放大倍數；另外，該單片機內置高速控制內核和豐富的存儲器，使其能夠控制整個系統；EP3C40F484C8(＄86.5000)型FPGA內置豐富的存儲器資源，確保該系統具有足夠的空間存儲采集的點數，完成離散傅里葉變換、數字濾波器、數字混頻等信號處理。

　　AGC電路

　　輸入信號經高速A／D采樣，信號幅度必須滿足A／D的采樣范圍，最高為2-3V，因此該系統設計應加AGC電路。AGC電路采用AD603(＄6.4440)型線性增益放大器。圖3為AGC電路。

　　A／D轉換電路

　　ADS2806(＄21.5437)是一款12位A／D轉換器，其特點為：無雜散信號動態范圍（SFDR）為73 dB；信噪比（SNR）為66 dB；具有內部和外部參考時鐘；采樣速率為32 MS／s。圖4為ADS2806(＄21.5437)的電路。為使A／D轉換更穩定，在A／D轉換器的電源引腳上增加濾波電容，抑制電源噪聲。該電路結構簡單，在時鐘CLK的驅動下，數據端口實時輸出數據，供FPGA讀取。

　　FPGA及外圍接口模塊

　　選用Cyclone(＄898.9000)Ⅲ系列EP3C40F484(＄86.5000)型FPGA，該器件內部有39 600個LE資源，有1 134 000 bit的存儲器，同時還有126個乘法器和4個PLL鎖相環。由于該器件內部有大量資源，因而可滿足其內部實現數字混頻、數字濾波、以及FFT運算。FP -GA正常工作時，主要需要的外部接口有：時鐘電路、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。

　　該系統能夠方便地在LCD上顯示信號的頻譜結構圖。操作簡單，便于學生進行操作，有助于實驗教學課上學生更直觀認識信號頻譜結構，從而促進實驗課教學。