基于FPGA的波形测量装置设计
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摘要：本文提出了一種基于FPGA的波形测量装置的设计方案，对装置的整体结构、硬件实现和软件设计过程进行了阐述。实验测试结果表明，系统具有结构简单、准确度好、可靠性强等特点，可以实现方波、三角波及正弦波的幅度、频率、占空比等参数的测量，具有一定的工程应用价值。
关键词：波形测量;FPGA;Quartus II
中图分类号：TN741 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）12-0185-02
电子工程技术中，经常需要对波形的幅度、频率、占空比、相位、斜率等特性参数进行测量。本文在对相关测量技术原理研究的基础上，提出了一种以FPGA为核心，能完成对方波、三角波及正弦波特性参数测量的装置设计方案。
1 测量原理
1.1 频率测量
频率测量采用等精度测频法，将被测信号与闸门信号同步，获得门限信号;在门限信号为“高”期间，对系统时钟信号和被测信号分别进行计数，获得Nf和Ns，系统时钟频率记为Sf，通过计算获得信号频率f0。
（1）
1.2 幅度测量
幅度测量采用阈值法，首先进行波形峰值的提取，通过ADC对信号幅值进行连续采样，实现波形幅度参数的测量，幅度测量值如下式所示，式中N代表峰值，VIN代表信号当前幅度值。
（2）
1.3 相位测量
相位测量采用计数测相法，将相位不同的两组正弦信号（F1、F2）送入比较器，获得两组方波信号（S1、S2），用采样脉冲对两组方波信号进行填充;对填充后的两组方波信号进行异或，获得信号X1，单系统时钟周期内对X1的计数值为N，此计数值即为两正弦信号的相位差φ，测量原理如下式，式中T为被测信号周期，Ts为系统时钟周期，f为被测信号频率，fs为系统时钟频率。
（3）
1.4 占空比测量
占空比测量采用平均值法，从信号幅度中值点Xm处取一个信号周期，分别对幅度大于Xm和小于Xm的周期进行计数，获得Tc和Td，信号的占空比τ可通过下式计算。
（4）
1.5 斜率测量
斜率测量采用阈值法，以三角波峰值电压的80%为阈值，通过比较器将三角波转换为方波，通过不同电平计数值实现斜率的测量。其原理如下式，式中Vmax为三角波幅度峰值，N为计数值，T为系统时钟周期。
（5）
2 波形测量装置整体设计
根据波形特性参数测量的需求，装置整体结构设计如图1所示。该装置主要由FPGA核心处理单元、数据采集单元和人机口单元组成。
3 硬件核心单元设计
装置的硬件核心单元包括FPGA电路、时钟源电路、高速ADC电路、显示电路、供电电路和通信电路。
（1）FPGA核心电路：装置以EP4CE6F17C8作为控制核心，实现高速ADC转换结果的存储与处理、参数测量计算、触发控制及人机对话功能。（2）时钟源电路：时钟源为FPGA和高速ADC提供时钟基准，本次设计中采用PLL技术实现多频率时钟源的设计，可以提供32MHz、4MHz、1MHz和40KHz的时钟基准。（3）高速ADC电路：装置中，采用AD9226实现高速ADC功能，完成对被测信号幅度值的测量。（4）人机接口电路：装置使用TM043NBH02液晶显示器完成测量结果的显示，配合按键可以实现测量参数的设定、输入信号类型及量程的选择等功能。（5）供电电路：装置采用USB供电形式，提供+5V、+3.3V、+2.5V分别为FPGA单元、高速ADC单元和人机接口单元提供电源。（6）通信电路：装置提供RS232/485及USB通信接口，实现装置与PC、移动存储设备间的数据交换。
4 软件设计
装置的软件设计主要实现触发控制、采样、数据处理、人机接口等功能。装置首先完成系统的初始化，然后根据实验人员设定的测量条件和环境，完成采样、存储、处理等数据处理过程，并将测量结果显示在液晶显示器中。
5 结语
基于文中方案制作了实体装置，并对装置进行了测试。实验测试结果表明，装置在频率1Hz～1MHz、幅度-5V～+5V的波形测量范围内，幅度分辨率由于1%、频率分辨率优于0.5%、占空比准确率由于1%、相位分辨率优于2%、三角波斜率分辨率优于2%。该装置结构简单、实时性好，便于安装、调试，通用性及扩展性良好，可适用于常规信号波形特性测量场合下的应用，具有良好的工程应用价值。
参考文献
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Design of Waveform Measurement Device Based on FPGA
CHEN Bei-chen，LI Wei-feng，CUI Hua
（College of Information and Control Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology， Jilin Jilin 132022）
Abstract：In this paper， a design of waveform measurement device based on FPGA is proposed， the overall architecture is presented， and the hardware realization as well as software design process of the device is introduced.The experimental results show that the system has the characteristics of simple structure， good accuracy and strong reliability. The system can realize the measurement of amplitude， frequency， duty ratio of square， triangle and sine wave， which has application value in engineering practice.
Key words：waveform measurement;FPGA;Quartus II
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