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1、分类号 TN431.2 单位代号10642 密 级 公 开 学 号重庆文理学院学士学位论文 基于NIOS虚拟频谱分析仪 论文作者： 指导教师： 学科专业： 电子信息科学与技术提交论文日期： 2010 年 10 月 日 论文答辩日期： 2010 年 11 月 5日 学位授予单位：重庆文理学院中 国 重 庆2010 年11月Graduation Thesis of Chongqing University of Arts and sciencesVirtual Spectrum Analyzer Based on NIOSCandidate: Cheng PengyuSupervisor: Yan
2、g ShouliangMajor: Electronic Information Science and TechnologyCollege of Electron & Electrical EngineeringChongqing University of Arts and SciencesNovember, 2010目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1选题目的和意义11.2频谱分析仪现状研究12 系统设计与简介22.1 系统总体设计22.2FPGA、NIOS和NIOS-UART简介32.2.1 FPGA简介32.2.2 NIOS软核处理器简介42.2.3 NIOS-UART
3、简介53实验电路设计53.1 NIOS 模块定制53.2 QUARTUS中硬件电路的搭建83.3 MAX232电平转换芯片93.4 ADC0809硬件电路的设计93.4.1 ADC0809芯片的内部逻辑结构103.4.2 ADC0809芯片的外部结构103.4.3 ADC0809芯片的使用说明114 QUARTUS 2、Sopc Builder和NIOS IDE软件说明124.1 QUARTUS 2 软件说明124.2 Sopc Builder 说明124.3 NIOS IDE软件说明125软硬件调试结果和数据分析135.1 输入120HZ的三角波信号135.2输入120HZ的正弦信号155.
4、3输入频谱分析典型方波信号176 设计总结24参考文献25致谢26摘 要快速傅立叶变换算法的出现为频谱分析的数字化处理提供了理论基础。针对目前一些机械、噪声、音频等方面的信号，这种信号指标要求不是太高，制作成本较低的频谱仪作为教学仪器十分有必要7。为此，现设计一种便携式频谱分析仪。传统的频谱分析仪采用FFT的实现方法有软件法和硬件法，本设计主控芯片采用ALTERA公司的Cyclone一代FPGA芯片，结合NIOSII软核做主控芯片。数据采集采用ADC0809对信号进行采样然后通过RS232传送到计算机，通过康芯公司上位机频谱分析软件软件实现虚拟频谱分析。实验结果表明能对采集到的信号进行准确的频
5、谱分析，设计有一定的实用和推广性。关键词：虚拟频谱分析，软核NIOSII，FPGA应用，AD转换，串口通信。 AbstractThe emergence of fast Fourier transform algorithm for the spectral analysis of the digital processing provides a theoretical basis. For the current number of machinery, noise, audio and other aspects of the signal, the signal indicator r
6、equirements are not too high, lower production costs as a teaching instrument spectrum analyzer is necessary. To do this, is to design a portable spectrum analyzer. The traditional FFT spectrum analyzer with a software implementation method method method and hardware, the design of the master chip g
7、eneration ALTERA Cyclone FPGA chip companies, combined with soft-core to do the master chip NIOSII. Data acquisition using ADC0809 samples the signal and then transmitted to the computer via RS232 by PC Kang core company software software virtual spectrum analysis spectrum analysis. The results show
8、 that the signal can be accurately collected spectrum analysis, design and promotion of certain practical.Keyword: Virtual spectrum analysis,soft-core NIOSII,FPGA applications,AD converter,serial communication.1 绪论1.1选题目的和意义随着科学技术的快速发展，电子技术也受到了越来越多的关注，而它的发展离不开测试技术，频谱分析作为测试技术中一个重要的组成部分，就需要我们更多的关注。在不同
9、的应用环境下采用不同的频谱分析仪来进行测试具有重要的意义。本文设计的虚拟数字频谱分析仪主要是针对一些机械、噪声、音频等方面的信号，对于这种指标要求不是太高、成本较低的频谱仪作为教学仪器是非常合适的。本文正是基于这种目的设计此虚拟数字频谱分析仪。同时随着微电子技术、计算机技术、网络通信技术和软件技术的高速发展,传统的仪器开始向计算机化的方向发展。虚拟仪器(VI)概念的产生正是基于这样一种技术背景。在测试领域中,频谱分析仪是一种重要的常用仪器。但是这种仪器的加工工艺复杂,生产技术要求高,价格昂贵采用虚拟仪器技术,只需在相应的硬件支持下,即可以用软件编程来实现虚拟频谱分析仪。基于计算机强大的分析处理
10、功能,可以将一些先进的数字信号处理方法运用于软件的设计中,不断的增强虚拟仪器的功能。1.2频谱分析仪现状研究频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果,能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。仪器内部若采用数字电路和微处理器，具有存储和运算功能。传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机,输
11、入信号经变频器变频后由低通滤器输出,滤波输出作为垂直分量,频率作为水平分量,在示波器屏幕上绘出坐标图,就是输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽的频率,例如30Hz-30GHz,与外部混频器配合,可扩展到100GHz以上,频谱分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一15。无论测量连续信号或调制信号,频谱分析仪都是很理想的测量工具。但是,传统的频谱分析仪也有明显的缺点,它只能测量频率的幅度,缺少相位信息,因此属于标量仪器而不是矢量仪器。对于FFT处理器的实现，目前通用的方法是采用DSP芯片、专用FFT处理芯片和FPGA芯片实现。用DSP芯片实现FFT的处理速度较慢，不能满足某些高速信号实时处理的要求
12、；专用的FFT处理芯片虽然速度较快，但外围电路相对复杂，不易扩展，且价格昂贵。而虚拟频谱分析仪它利用软件在微机屏幕上构成虚拟仪器面板,在硬件的支持下对信号进行采样 ,既可以进行实时的信号分析、显示 ,又可以在离线条件下对存储的采集结果进行各种软件处理。频谱分析是对各种振动进行特性分析的重要手段，广泛应用于物理学、自动控制、电子学、建筑学以及地震测量等领域。频谱分析仪是研究信号频谱特征的仪器，在电子技术一日千里的今天，它是研究、开发、调试维修中的有力武器。从频谱分析仪的实现方式上可分为模拟式与数字式两种方法，近年来出来了新的频谱分析方法。一是取得信号的数字化数据后，基于DSP芯片进行FFT运算得
13、到频谱，将频谱传送给计算机显示，即硬件实现FFT。用硬件实现FFT算法，大致有以下几种方法：通用数字信号处理器（DSP）,专用的FFT处理器，可编程逻辑器件（以FPGA 为代表）等9。DSP实现的优点是硬件开发和软件编程技术成熟、开发时间短，缺点是硬件电路复杂、功耗大，并且存在运行速度和精度之间的矛盾。然而随着计算机的普及和性能的提高，软件实现FFT变换，利用上位机软件实现对采集来的数据进行频谱分析变的越来越可靠和方便，软件采用多线程处理，性能相当不错，实时响应速度非常快，功能很强大。与硬件设备相比，它还具有独到的优点：操作、显示界面友好，可以把测量结果保存下来。这种频谱分析仪利用快速傅里叶变
14、换（FFT）将被测信号分解成分立的频率分量，达到与传统频谱分析仪同样的结果。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样，再经FFT处理后获得频谱分布图。利用FFT处理技术设计频谱分析仪有两种新的实现方法。一是对信号进行数据采集(抽样、AD)，然后通过计算机对数据进行快速傅立叶变换(FFT)，得出频谱后在计算机上显示出来，由于FPGA处理数据速度快，数据不易丢失，可靠性高，还可以通过NIOS实现高速串口数据传输，这样就能对更高频率的信号进行频谱分析。通过软件编写及硬件配置 ,虚拟仪器可以实现完全由用户自己定义、适合不同应用环境和对象的各种功能。虚拟仪器技术在国
15、内正处于蓬勃发展中 ,在测试、测控、教学、科研等领域获得了广泛的应用，其优越性主要体现在以下几方面16:(1)可以根据不同单位各种特殊的要求 ,量身定做各种测量、测试仪器 ,以提高工作效率。(2)可自行开发软件来升级各种测量、测试仪器,以适应不断发展的需求。(3)仪器的核心是软件 ,虚拟仪器升级周期短,费用低廉。(4)其开放、灵活的架构可随计算机同步发展 ,与周边设备、网络互联容易。(5)依托计算机强大的资源,虚拟仪器具有很强的数据处理、存储和分析能。2 系统设计与简介2.1 系统总体设计系统由FPGA芯片ADC0809模数转换芯片PC机和频谱分析软件构成，整体框架如下：图2-1 系统框图2.2FPGA、NIOS和NIOS-UART简介2.2.1 FPGA简介FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原
