張良,葛榮駿，張志釗，馬義德
（蘭州大學 電路與系統研究所，甘肅蘭州 730000 ）
摘要：介紹了一款以FPGA和NIOS系統為核心設計的智能電子測試儀器。該儀器主要圍繞友晶公司的Altera DE270開發板進行開發，借助直接數字頻率合成(DDS)技術與FPGA芯片的可編程、易修改的特性，實現了正弦波、余弦波、三角波、方波、鋸齒波5種基礎波形與AM、FM、2ASK、2PSK 4種調制信號的輸出，并且在LCD液晶屏上實時顯示輸出波形。此外，對于外部反饋信號，系統利用NiosⅡ嵌入式微處理器對信號做進一步的處理，例如波形的幅度變換、頻率測量、電壓測量和幅頻特性分析等。該智能電子測試儀器實現了波形發生器、數字示波器、掃頻儀、頻率計、電壓表等多種儀器在功能上的綜合，是智能儀器儀表設計的一次全新的嘗試。
關鍵詞：FPGA；NiosⅡ；智能儀器；波形發生器
0引言
隨著社會科技水平的不斷發展，越來越多的企業、學校和個人都參與到電子產品設計與制作的工作中來，而電子測量儀器是從事電子設計工作時必不可少的工具，因此，對電子測量儀的研究也一直是電子設計領域的熱門話題［14］。
目前，國內外對于電子測量儀器的研究已經非常成熟，以泰克、安捷倫、惠普為首的公司也推出了很多高性能的電子測量儀器。然而，這些儀器雖然性能出眾，但是價格十分昂貴且性能單一，人們從事電子設計時往往需要配備多臺儀器，這無疑極大地增加了電子產品的設計成本。同時，許多公司在設計電子測量儀器時為了追求單一設計指標的高性能，使用大量價格昂貴、體積龐大的模擬電路，造成許多儀器體積龐大且操作不智能，這也增加了從事電子設計的學習負擔。
基于以上背景，本文設計了一款基于FPGA和NIOS系統的智能電子測試儀器。本儀器綜合了波形發生器、數字存儲示波器、掃頻儀、頻率計、電壓表等多種儀器的功能，在功能上涵蓋了電路設計所需的輸入信號激勵和輸出信號處理，能夠獨立完成一些復雜實驗，簡化了操作步驟，降低了實驗成本，為智能儀器設計提供了一個全新的思路。
1系統的功能描述
本文以友晶公司設計的DE2開發平臺為核心，結合FPGA內嵌NiosⅡ微處理器設計了一款智能電子測試儀器。本儀器具備以下功能：
（1)豐富的波形輸出功能
本系統能夠輸出正弦波、余弦波、三角波、方波、鋸齒波5種基礎波形，以及AM(調幅信號)、FM(調頻信號)、2ASK(二進制振幅鍵控信號)、2PSK(二進制相位鍵控信號)4種調制波形。同時系統能夠接收外部調制信號參與調制。
（2)靈活的掃頻輸出功能
借助NiosⅡ微處理器強大的控制能力，本系統能夠在 10 Hz~10 MHz頻率范圍內連續輸出正弦掃頻信號，借助系統的信息處理能力，能夠對外部被測網絡進行幅頻特性分析。其中掃頻信號的起始頻率、終止頻率、頻率間隔等參數可預置。
（3)精準的電壓和頻率測量功能
本系統能夠測量1 Hz~10 MHz的頻率范圍內的周期波形的頻率值和電壓值。頻率測量采用全同步等精度測量技術［67］，具有較高的測量精度(優于10-6)。電壓測量采用數字峰值檢波技術［8］，具有較高的測量穩定性，避免了復雜的模擬電路帶來的不穩定性和飄移帶來的測量精度不高的影響。
（4)智能的輸入波形輸出波形顯示功能
本系統不僅能夠在LCD液晶屏上實時顯示輸出信號的波形、頻率等信息，借助信號反饋網絡，同時能夠顯示被測信號的波形、頻率、幅度等信息。這樣的設計方便人們在從事電子設計時能夠同時觀察輸入端和輸出端的波形、頻率、幅度等參數的變化。
根據以上對儀器功能的分析，本儀器的系統整體功能框圖如圖1所示。
2系統的結構設計
通過對智能電子測試儀器的具體功能進行分析，將整個系統劃分成3個子系統，分別為信號激勵子系統、反饋處理子系統和嵌入式微控制子系統。
2.1信號激勵子系統
信號激勵子系統的工作流程如圖2所示。首先，子系統接收來自微控制子系統的頻率控制字，借助直接數字頻率合成技術(DDS技術)［1］在FPGA內部通過Verilog硬件邏輯語言產生正弦波、余弦波、三角波、方波、鋸齒波5種基礎波形［7］。然后以余弦波為載波，以正弦波為調制信號或通過調制信號產生模塊接收外部輸入的調制信號，借助相關算法產生AM和FM兩種調制波形。同時以方波為基帶信號或通過基帶信號產生模塊接收外部輸入的基帶信號，借助相關算法產生ASK和FSK兩種編碼信號。最后通過輸出波形選擇模塊來輸出這些激勵信號［8］。
2.2反饋處理子系統
反饋處理子系統的工作流程如圖3所示。在嵌入式微控制子系統的控制下，采樣時鐘模塊首先產生一個預置的采樣時鐘，控制AD采樣電路的采樣速率。然后系統將反饋信號的波形數據通過FIFO緩存讀取到FPGA中，再分別對其進行數字峰值檢波和波形存儲，將處理結果發送到NiosⅡ微處理器中，實現波形的存儲顯示和電壓測量功能。
波形變換電路首先將具有周期性質的反饋信號變換成同頻率的方波信號并將其輸入到頻率變換模塊，通過控制采樣時鐘產生模塊，使其產生的采樣信號為被測信號的整數倍，這樣使得不同頻率的信號在液晶上可以顯示相同的周期數。最后，采用全同步的等精度測頻法對變換后的方波信號進行測頻。此外，采用一個標準時鐘信號進行頻率校準，最終實現頻率測量功能。
2.3嵌入式微控制子系統
嵌入式微控制子系統的工作流程圖如圖4所示。子系統的主要功能是通過矩陣鍵盤輸入人機交互信息，再通過數據輸入和輸出總線控制其他子系統，最終在7英寸LCD液晶上進行數據顯示。
通過對智能電子測試儀器的系統結構進行分析，明確了整個系統的硬件設計目標。其中信號激勵子系統的波形發生模塊、反饋處理子系統的信號處理模塊和嵌入式微控制子系統的控制轉換模塊均采用基于Verilog的FPGA硬件邏輯語言實現。最終FPGA硬件設計的RTL視圖如圖5所示。
3系統的軟件設計
嵌入式微控制子系統的核心是來自FPGA內部的NiosⅡ微控制處理器。整個NiosⅡ微控制處理器的軟件工作流程如圖6所示。
首先，NiosⅡ接收來自矩陣鍵盤的輸入控制信息，這些控制信息包括：系統的波形輸出模式、正弦波掃頻的掃描頻率間隔及中斷控制、基礎波形輸出的波形類型和輸出頻率、調制信號的產生方式和調制度、基帶信號的產生方式、AD采樣時鐘頻率和LCD液晶顯示界面的的波形顯示模式等信息。然后，NiosⅡ將這些控制信息通過輸出數據總線發送到各個模塊，使各模塊正常工作。同時，NiosⅡ也通過輸入數據總線接收各個模塊的反饋信息，這些信息包括：輸出端的波形信息、采樣時鐘的頻率、輸入信號的波形、電壓最大值和最小值和頻率信息。最終，NiosⅡ微控制處理器將這些信息顯示在外接的7英寸LCD液晶顯示器上。
4系統的測試與分析
本文設計的基于FPGA和Nios系統設計的智能電子測試儀器的實際工作效果如圖7所示。
為了檢測智能電子測試儀器系統波形輸出功能的穩定性和測量功能的準確性，借助一臺由泰克公司生產的數字示波器（型號：Tektronix TDS 2022B）來對其進行測試。
表1是以正弦波為代表，借助示波器檢測本儀器輸出信號的頻率和幅度的穩定性與輸入信號頻率和幅度測量的準確性的部分測量結果。
測量結果表明，本儀器采用全同步的等精度頻率測量技術，頻率的有效測量范圍與測量精度相較于傳統儀器有較大的提高。波形輸出的3 dB帶寬為1 Hz~22 MHz，波形在100 Hz~10 MHz
的輸出頻率范圍內，具有良好的幅度穩定性。相較于傳統的二極管峰值檢波幅度測量方式，本儀器采用數字峰值檢波的幅度測量方式，具有較高的測量精度與穩定性。
5結論
本系統外圍電路簡單、體積小巧、操作方便，各種功能采用模塊化思路集成在一起，可以根據用戶需求隨意增減功能模塊，也能根據不同設計需求改變各功能模塊的技術指標，與傳統電子儀器相比更加智能和靈活。
系統注重多種功能的綜合，減少了實驗所需的儀器數量，降低了實驗成本，非常適合于沒有足夠成本建立大型實驗室且對于性能指標沒有極高追求的中小型企業和個人，以及剛剛接觸電子設計的高校學生。圖6NIOS微控制子處理器軟件工作流程圖圖7智能電子測試儀器實驗效果圖
參考文獻
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