基于FPGA和LabVIEW的虛擬頻率特性測試儀設計

郭睿楠， 李 冶， 王義濤

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130026)

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基于FPGA和LabVIEW的虛擬頻率特性測試儀設計

郭睿楠， 李 冶， 王義濤

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130026)

為了提高數據分析處理能力和充分利用計算機資源，設計了一種基于現場可編程門陣列(FPGA)和LabVIEW開發環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為控制單元，USB芯片為通信單元的硬件電路，FPGA實現數據存儲和時鐘控制等功能，提高了電路的集成度。采用數據流思想，在圖形化編程軟件LabVIEW中開發了人機交互界面，可以操作儀器發出掃頻信號，顯示頻率特性曲線，還能對數據進行分析，得到用戶感興趣的參數，同時支持數據的存儲功能。實驗結果表明，儀器能夠滿足教學領域的要求。與同類設計相比，該方案具有成本低，靈活性高等優點。

現場可編程門陣列； 頻率特性測試儀； 虛擬儀器； LabVIEW

0 引 言

傳統的電子測量儀器是由廠商制造，采用固化的系統軟件和固定的硬件電路的測試設備，其系統封閉，擴展性能差。虛擬儀器以計算機為核心平臺，選取基本的測試硬件作為信號的接口，靈活度高，開發維護成本低[1]。

電路在輸入正弦信號情況下，輸出隨輸入信號頻率連續變化，這種變化關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。傳統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。傳統測試儀的生產成本高，且在數據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實現數據緩存和時鐘控制等功能，使用LabVIEW編輯的上位機軟件可完成數據分析處理的功能，充分利用了計算機資源，降低了硬件成本。

1 虛擬頻率特性測試儀總體結構

圖1為虛擬頻率特性測試儀總體結構，掃頻信號發生電路用作激勵信號源，激勵信號和待測電路的輸出信號在調理電路中被衰減和濾波，而后經過模數轉換，存儲于由FPGA實現的數據存儲器中，最后這些數據經由通信電路上傳到PC機中，由儀器操作軟件進行分析處理，并將幅頻特性曲線圖、相頻特性曲線圖及相關特性參數呈現給使用者。此外，對儀器進行功能設置也是由PC機軟件完成的。在該過程中，PC機軟件起到總體控制的作用，儀器微控制器則起到協同管理的作用。儀器的各硬件模塊均集成在標準3U尺寸的電路板上[3]，使用直流電流源供電，通過USB線與PC機連接。

圖1 虛擬頻率特性測試儀總體結構

2 虛擬頻率特性測試儀硬件設計

2.1 調理電路

虛擬頻率特性測試儀的調理電路有兩條通道，通道A用于接入由儀器自身或外部其他儀器產生的掃頻信號，通道B用于接入待測電路的輸出信號。調理電路由衰減電路和驅動放大電路兩部分組成[4]。模數轉換電路所使用的模數轉換芯片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整到模數轉換芯片的輸入電壓范圍內?？紤]到掃頻信號頻率較大時，電路中的分布電容會使輸入信號失真，衰減電路采用補償分壓電路和直接電阻分壓電路相結合的方案；又考慮到外部其他儀器產生的掃頻信號幅值可能比本儀器自身產生的要大，衰減電路設計了1，10，20和50倍四個檔位，檔位的切換由微控制器通過FPGA調節繼電器開閉來實現。AD9288有差分輸入的要求，因此在衰減電路后面設計了驅動放大電路。將經過衰減電路的信號一路直接接入AD9288差分輸入其中一個引腳；另一路經過驅動放大電路接入差分輸入另一個引腳，以此來完成對于AD9288差分輸入的目的。驅動放大電路選用TL072D放大器，TL072D是一款JFET輸入運算放大器，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電流小，諧波失真小，噪聲低，電壓轉換速率高達13 V/μs，帶有輸出短路保護，完全能夠滿足本儀器需求。

2.2 模數轉換電路

儀器選用1片AD9288-100作為模數轉換芯片[5]。芯片每個通道采用差分輸入，這樣就減小了模數轉換電路的誤差，提高了模數轉換電路識別小信號、抗干擾和處理雙極信號的能力。AD9288的兩個通道分別接入經處理的掃頻信號和待測電路輸出信號，兩通道的基準電壓輸入引腳接入芯片內部基準電壓。FPGA模塊為芯片的兩個通道提供時鐘信號。出于數據處理的需要，要求芯片的數字輸出格式為偏移二進制碼，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]。模數轉換電路的數字輸出接入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，FPGA模塊采用自頂向下的設計思想，使用Quartus II開發，利用VHDL語言編寫[7]。FPGA模塊實現了時鐘控制，數據存儲器等功能。

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

圖2 時鐘控制模塊局部

由FPGA實現的數據存儲器為FIFO類型[9]，即先入先出型存儲器。模數轉換電路采集到的數據首先暫存到FIFO存儲器中，而后當PC機軟件下達從硬件讀取數據的命令時，FIFO存儲器的數據再被上傳到PC機中。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，FPGA模塊還有控制調理電路衰減部分的繼電器，以及實現掃頻信號電路所需地址發生器等功能。

2.4 掃頻信號發生電路

本儀器通道C為內置掃頻信號發生通道。掃頻信號發生電路應用了直接數字頻率合成(Direct Digital Synthesizer,DDS)技術，它的原理如圖4所示。DDS技術是先將一個相位與幅度相對應的波形表存放在存儲器中，再通過一個地址發生器對波形表中的數據尋址讀出，最后將讀出的數據經過數模轉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，模數轉換芯片使用DAC902，地址發生器由FPGA電路實現。

圖4 DDS技術原理框圖

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89S52實現，單片機程序使用Keil編寫。儀器運行時，通信電路將由PC機發送來的命令ID傳輸給單片機RAM，單片機讀取RAM數據并執行與命令ID相對應的函數。單片機的數據線及地址線與電路各關鍵控制端口相連，以實現對儀器整體的控制。

儀器通信電路采用Cypress公司EZ-USB FX2系列的CY7C68013芯片來實現[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[12]，依照儀器需求添加其他端點收發數據的代碼后，該芯片即成為與儀器運行模式相契合的通信模塊。

3 軟件設計

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，用于設置儀器各項參數、反饋儀器狀態及觀察頻率特性有關的數據和波形。程序框圖由節點和數據連線構成，節點之間由數據連線按照一定的邏輯關系相互連接[13]。軟件具體包括波形顯示、波形觀察工具、儀器狀態顯示、儀器參數設置、通信和數據處理部分。

3.1 軟件流程圖

如圖5所示，首先運行PC機軟件，在前面板對儀器各項參數進行調整，軟件通信模塊完成參數在儀器硬件上的配置，硬件按照軟件前面板設定的參數要求發射和采集信號，采集到的數據經由USB線發送到PC機，軟件通過對采集到的數據進行處理，將被測網絡頻率特性曲線及有關數據顯示在PC屏幕上。每完成一次數據采集處理后，軟件都會判斷停止鍵是否被按下，若被按下，則結束程序；若未被按下，則重復前面的運行過程。

圖5 軟件流程圖

3.2 數據處理與顯示

上傳到PC機的是掃頻信號和被測網絡輸出信號的時間序列，還需要軟件進行處理，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前頻率下該信號的幅值，再利用兩信號幅值計算得到用于表達待測網絡幅頻特性的增益。軟件利用帶漢寧窗的快速傅里葉變換獲取信號頻譜[14]，再將頻譜結合模數轉換器采樣率進行處理，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網絡相頻特性的量。

圖6 數據處理方式

對于已經得到的相位差和增益數據，采用如圖7的方式將其轉化為波形顯示。將每次得到的新增益或新相位差和與之對應的掃頻信號頻率分別添加到FOR循環結構的兩個移位寄存器數組中，再將兩移位寄存器數組捆綁成簇，并接入XY圖顯示控件[15]，這樣就實現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“調用庫函數節點”控件來完成與硬件的通信[16]，如圖8所示。該控件所需的動態鏈接庫使用VC++6.0生成，其關鍵代碼首先通過調用win32函數CreatFile()得到通信電路驅動程序的句柄，然后調用win32函數DeviceIoControl()，經由得到的句柄把I/O Control Code和相關的輸人輸出緩沖區提交給驅動程序，進而實現通信。

圖8 調用庫函數節點

4 測試結果

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置掃頻信號發射通道與掃頻信號輸入通道和待測網絡的輸入端相連，待測網絡的輸出端與

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。測試結果如圖10所示，得到的幅頻特性曲線和相頻特性曲線與實際一致，基本滿足要求。

圖10 軟件界面及測試結果

與傳統頻率特性測試儀相比，本虛擬頻率特性測試儀有以下優點：①可依據用戶不同需求對波形進行放大、縮小和移動等操作，人機交互界面友好；②系統易于維護和拓展功能，開發效率高；③系統充分利用PC機資源來處理數據，采樣率高，成本低廉。

5 結 語

本文介紹了一種基于FPGA和LabVIEW的虛擬頻率特性測試儀設計。該儀器除了實現傳統頻率特性測試儀顯示和存儲波形的功能外，還具有協助用戶細致觀察和分析頻率特性的功能。儀器硬件部分采用AD9288芯片實現了高采樣率，利用FPGA實現了時鐘控制與數據存儲器等功能；儀器軟件部分使用LabVIEW編寫數據處理功能強大，交互界面友好的軟件。試驗表明，該儀器穩定可靠，能夠滿足測試要求，具有操作簡潔靈活等特點。

本儀器成本低，易于調試和維護，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，可預見該虛擬頻率特性測試儀在教學中有良好的前景。

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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，主要研究方向為虛擬儀器。Tel.:13596435587；E-mail:kskmfl@163.com

李 冶(1958-)，男，吉林長春人，教授，碩士生導師，主要研究方向為虛擬儀器。Tel.:13039311688；E-mail:lye@jlu.edu.cn

TM 933

A

1006-7167(2016)05-0101-04