课题研讨的意图和含义
频谱剖析仪能够便利规划人员确认搅扰信号的频率规划，以便挑选合理的滤波计划，但一般的频谱剖析仪体积较大，不便于工业现场运用，因而规划手持式频谱剖析仪，便于带着，功耗低，可长期记载数据，还可通过网络长途操作。
本频谱仪的规划是以赛灵思的FPGA为中心，先在模仿前端驱动可编程扩大器完结模仿信号的扩大及电平搬迁，然后按设定的采样频率驱动ADC完结数据收集，之后完结快速傅立叶改换，终究将成果显现在4寸五颜六色液晶屏上，并按设定存储数据或是通过网络传输数据。
频谱剖析在生产实践和科学研讨中有着广泛的运用。所谓频谱剖析便是将信号源宣布的信号强度按频率次序打开，使其成为频率的函数，并调查改变规则。关于一个电信号的研讨，咱们能够剖析它随时刻改变的特性，也能够由它所包含的频率分量(即频谱散布)来描绘。一般把前者称为时域剖析，后者称为信号的频域剖析。对信号进行频谱剖析，能够得到信号的频率结构，了解信号的频率成分或体系的特征。在此根底之上，可完结对信号的盯梢操控，然后完结对体系状况的前期猜测，发现潜在的风险并确诊或许发生毛病的原因，对体系参数进行辨认及校对。因而，频谱剖析是提醒信号特征的重要办法，也是处理信号的重要手法。而进行频谱剖析的仪器便是频谱剖析仪，它能主动剖析电信号并在整个频谱上显现出悉数频率分量状况，确认一个改变进程(称为信号)的频率成分，以及各频率成分之间的相对强弱联系。
频谱剖析仪的运用十分广泛，而各行各业、各个部门对频谱剖析仪运用的侧重点也不尽相同，关于需求在野外或丈量现场来回测验、查看的运用，体积较大，分量较重，便携性欠好的频谱剖析仪就显得十分不便利，若有体积小、分量轻、便携性好的频谱剖析仪，则会给其运用带来很大的便利，更好的发挥频谱剖析仪的效果
关于频谱剖析仪的详细运用，首要有以下几个方面：
(1)对信号参数进行丈量
(2)用于信号仿真丈量
(3)用于电子设备调试
(4)用于国防
二、课题研讨的首要任务和预期方针
传统频谱剖析仪首要依托模仿滤波器来分隔各频率成分并进行频率成分丈量。为了进步频谱分辨率，需求通频带很窄的滤波器，并且因为模仿滤波器中心频率会随时刻、环境温度“漂移”，因而制作高安稳度、高精度的的这种频谱剖析仪比较困难。
跟着FFT的提出，运用数字办法进行频谱剖析成为或许，这处理了许多传统频谱剖析仪存在的问题，如“温漂”等。完结FFT算法有运用软件或运用纯硬件等不同办法，运用软件的办法能够在PC机或在DSP芯片上完结，其频谱剖析首要是依托软件计算来完结。而运用硬件办法的有FPGA或专用集成电路(ASIC)。跟着技能的不断发展，现在FPGA芯片的功用和规划已达到很高的程度，用它来完结快速傅立叶改换(FFT)不只成为或许，并且功用也有确保，关于大规划数字体系，也能够将其集成在一片FPGA芯片上，然后缩小产品体积，加强体系的可靠性和便携性。因而，用FPGA来完结谱剖析仪的功用是一个很好的挑选。
规划该手持式谱剖析仪，依据FFT剖析法的频谱剖析仪是优先考虑的计划。关于手持式谱剖析仪，全球两大测验仪器开发商，安捷伦和泰克公司都相继开宣布了相关产品，但价格昂贵。现在国内对这方面的研讨也比较多,不过大多选用DSP芯片方法，FFT选用软件完结，因而，在体系集成度和体系可靠性方面,将不会优于单芯片的FPGA硬件处理计划。故本课题挑选依据FPGA的便携式频谱剖析仪的研讨与规划，其间FFT由硬件电路完结。
本次规划的首要任务是规划一种依据FPGA的手持式频谱剖析仪。选用高功用FPGA完结依据FFT算法的频谱剖析处理，并将处理成果终究从液晶屏上显现出来。首要研讨傅里叶改换的特色，了解清楚快速傅里叶改换(FFT)与频谱剖析的联系，了解清楚窗函数对快速傅里叶改换(FFT)的影响以及混叠现象、频谱走漏和栅门效应对频谱剖析的影响，其次，了解清楚FPGA的作业原理及其供给的能够运用的资源，特别是赛灵思系列的FPGA可供运用的资源。终究提出合适于FPGA完结的频谱剖析仪的体系计划。规划各个组成部分，整合整个体系，终究完结频谱剖析仪的规划作业。
三、规划计划
依据作业原理，频谱剖析仪大致可分为模仿式和数字式两大类，本规划是数字式频谱剖析仪，该剖析仪先将所收集的信号通过一个低通滤波器进行滤波，然后将经滤波处理的模仿信号进行采样量化，再通过扩大器扩大后送入Atlys Spartan@-6 FPGA 开发套件中进行数字信号处理，用快速傅立叶改换的办法求得信号的频谱。该该谱剖析仪的作业原理框图如图1所示。
图1 依据快速傅立叶改换的数字频谱剖析仪作业原理框图
四、计划证明：
1、FFT原理：
傅里叶改换便是信号的时域描绘与频域描绘的某种改换联系。关于某一模仿非周期信号，存在着以下的傅里叶改换对
(1)
(2) 式(2)叫做傅里叶逆改换式。式(1)称为傅里叶改换式，即函数
是
的傅里叶改换或傅里叶积分，函数
反映了非周期信号
的频谱。
一个信号的傅里叶改换，其实质便是把该信号分解成许多不同频率的正弦波之和。通过傅里叶改换能够得到信号的各种频率成分，得到信号的频谱。
式(1)是对频率域而言的，它能够看作是时刻函数
在频率域上的表明，频率域上所包含的信息和时刻域上所包含的信息完全相同，仅有的不同仅仅方法不同罢了。一般，
是一个复函数，即:
(3)
和
分别为实部和虚部，则起伏谱(即一般所说的频谱)
表明为
(4)
因而，频谱剖析仪的起伏谱(即一般所说的频谱)能够通过(4)式得到。
相位函数
表明为
(5)
该式反映了信号的相频特性。 在本规划中所运用的FFT处理模块是有xilinx公司所供给的Atlys Spartan®-6 FPGA 开发套件，该板卡是新一代Xilinx FPGA学习板卡，不只合适VHDL以及Verilog HDL代码等传统范畴学习，还可用于新一代的SOPC范畴学习。开发板以Spartan-6系列的XC6SLX9-TQ144芯片为中心，供电、下载与调试都通过板卡本身的USB接口完结，扩展了LED、GPIO、UART以及USB-JTAG电路，结构如图2所示。此外，S6 CARD通过USB线完结板卡供电和调试，便于运用。该板卡结构图如下所示：
其首要外设如下所列：
Xilinx XC6SLX9-TQG144 FPGA;
自带USB调试与供电电路(无需下载线和电源)，CY7C68013、XC2C256;
32M SPI FLASH M25P32;
MAX3232串口;
50MHz晶振;
按键、LED、拨码开关
2、滤波器原理
体系从传感器拾取的信号中，出来体系所需求的信息外，往往还包含许多噪声以及其他与被丈量无关的信号，所以在先期的电路中参加具有频率挑选效果的滤波器，对所收集的信号进行滤波。
依照所处理信号的方法的不同，滤波器可分为模仿与数字两大类。此外，滤波器的三种频带在全频带中散布方位不同，可完结对不同频率信号的挑选，依此，滤波器可分为四种不同的根本类型：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。别的依据滤波器中选用的元器材能够分为：LC无源滤波器、由特别元件构成的滤波器、RC无源滤波器、RC有源滤波器。
在本规划中，所要收集的信号是沟通电中的50HZ的频率，直接对所要收集的信号进行滤波，所以所选用的滤波器是模仿低通滤波器，并且，如果在电路中引进具有能量扩大效果的有源器材，如电子管、晶体管、运算扩大器等，弥补丢失的能量，可使RC网络像LC网络相同，取得杰出的频率挑选特性。所以终究所挑选的滤波器是模仿低通RC有源滤波器。
模仿滤波电路的根本方法为现行四段网络，其特性可有传递函数表明如下：
界说为输出与输入信号电压(或电流)的拉普拉斯改变之比。该式中s=σ+jω为拉普拉斯变量，各系数
是由网络结构与元件参数值决议的常数。依据现行网络安稳性剖析条件的要求，分母中各系数均应为正，并要求n≥m，n称为网络阶数，也即滤波器的阶数，反响电路的杂乱程度。
在传递函数中，令拉普拉斯变量s=jω，能够得到频率特性函数H(jω)：
H(jω)=
=
，
频率特性H(jω)是一个复函数，它的
A(ω)=
的幅值称为幅频特性。
=
称为相频特性。
在本规划中选用的是二阶滤波器，其传递函数的一般方法为：
，令
对应固有频率，
对应通带增益，
对应阻尼系数，将传递函数的一般方法改写为标准的方法
，其幅频特性与相频特性分别为： A(ω)=
，不同
值下二阶低通滤波器的幅频特性和相频特性如下图所示：
本规划中二阶低通滤波器的规划渠道所运用的是microchip半导体公司所供给的滤波器规划渠道。
3、AD转化原理：
按其作业原理的不同分为直接A/D转化器和直接A/D转化器两种。直接A/D转化器将模仿信号直接转化为数字信号，这类A/D转化器具有较快的转化速度，典型的电路有并行比较型A/D转化器、逐次比较型A/D转化器。直接A/D转化器则是先将模仿信号转化成某一中间量(时刻或频率)，然后再将中间量转化为数字量输出。此类A/D转化器的速度较慢，典型电路有双积分型A/D转化器、电压频率转化型A/D转化器。 AD转化芯片有许多，依据本次规划所收集的信号的需求，信号是沟通电信号，挑选8位AD转化器。芯片挑选的是Maxim公司所供给的MAX11662。其参数如下：VDD = 2.2V ——3.6V, VREF = VDD。
模数转化器的原理框图如下所示:
AD的转化进程包含采样、坚持、量化和编码四个阶段。通过按等距离T对模仿信号进行采样，得到一串采样点上的样本数据，这一串样本数据可看作时域离散信号(序列)。在本次规划中AD有8位，那么每个样本数据用8位二进制数表明，即构成数字信号，因而，采样以后到构成数字信号的这一进程是一个量化编码的进程。
4、扩大器原理：
通过低通滤波器所得到的信号或许很弱小，所以加一级前置扩大器对所获取的信号进行扩大，以期能够得到更易于处理的信号。将扩大器前置的意图有两个：①使小输入信号不被后期电路的噪声所吞没;②要避免滤波器电路的噪声被扩大。
关于丈量扩大电路的根本要求是：①丈量扩大电路的输入电阻应与传感器输出阻抗相匹配;②安稳的扩大倍数;③低噪声;④低的输入失调电压和输入失调电流，以及低的漂移;⑤满足的带宽和转化速率;⑥高共模输入规划和高共模按捺比;⑦可调的闭环增益;⑧线性好、精度高;⑨本钱低一级;
现在广泛运用的是高共模按捺比扩大电路，如下图所示：
该共模按捺比电路由三个集成运算扩大器组成，其间
为两个功用共同(首要是指输入阻抗、共模按捺比和增益)的同相输入通用集成运算扩大器，构成平衡对称(或称同相并联型)差动扩大输入级，
构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步按捺
的共模信号，并习惯接地负载的需求。输入级的输出电压，即运算扩大器输出之差为
，其差模增益
由以上公式可知，当
功用共同时，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调与漂移均在
两头彼此抵消，因而电路具有杰出的共模按捺才能，为消除
偏置电流等得影响，一般取
。
关于扩大器选用的是LM386，LM386是一个用于在低电压消费类运用规划的功率扩大器。内部增益为20，输入以地上为参阅，而输出被主动偏置到电源电压的一半。静态功耗只要24毫瓦，LM386是电池操作的抱负挑选。
5、LCD输出显现原理
LCD为7段(或8段)显现结构，故有7个(或8个)段选端，须接段驱动器，LCD的每个字段型要由频率为几十Hz到几百Hz的节拍方波信号驱动。该方波信号加到LCD的公共电极和段驱动器的节拍信号输入端。LCD显现器的驱动接口电路分为静态驱动和动态驱动两种接口方法。
静态驱动接口的功用是即将显现的数据通过译码器译为显现码，再变为低频的交变信号，送到LCD显现器。动态驱动接口一般选用专门的集成芯片来完结。一般选用主驱动器和从驱动器。主、从驱动器都选用串行数据输入，主驱动器能够驱动48个显现字段或点阵，每添加一片从驱动器能够添加驱动44个显现字段或点阵。驱动方法选用1/4占空系数的1/3偏压法。
