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1、 目录摘要1关键词1Abstract1Key words:11 绪论211 调制器的研究背景212 软件无线电原理及特点2121 软件无线电的基本原理2122 软件无线电的特点31. 3 超声波原理和特性32 /调制器321 /调制器322 级联/调制器623 多位/调制器63 FPGA的AM调制831 AM调制的基本原理832 直接数字频率合成器的原理10321 DDS的基本原理1033 基于FPGA的AM调制的设计114 系统的硬件电路设计1241 超声波语音发信机的设计1242 拾音器及供电电路1243 放大电路1344 模拟滤波器电路1445 A/D转换电路155 软件仿真及结果分析1
2、651 FPGA 的结构和特点16511 FPGA基本结构16512 FPGA的特点17513 FPGA技术的发展趋势1852 FPGA的常用开发软件1853 FPGA的设计流程19总结24致谢25参考文献26附录27超声波语音通信的调制器设计 摘要：随着语音通信技术的飞速发展，超声波语音通信由于其抗干扰能力强，在通信系统中越来越受重视。本文基于/调制器模型，利用FPGA的AM调制技术对超声波信号进行采集和处理，在A/D转换器部分用A/D转换器替代，利用FPGA硬件平台来实现了超声波语音信号的调制。A/D转换器利用过采样技术、噪声整形和数字滤波技术增加有效分辨率，其实质是以高速率换取分辨率，从
3、而减小了实现高精度A/D转换器的复杂性，有效衰减输出信号的带内量化噪声，提高了带内信噪比。设计中将软件无线电的思想渗透其中，将原来运用模拟器件构建的电路都通过软件编程的方法来实现，增加了系统的灵活性。系统的硬件电路由AM调制电路和功放电路组成。在软件仿真时，利用Quartus II开发软件，采用VHDL和Quartus II内嵌的图表编辑器的原理图式图形输入法混合编程的方式，编写了各模块单元，在FPGA内部实现了调幅功能。仿真结果符合信号调制要求。关键词：/调制器；超声波语音通信；FPGA；Quartus IIThe Design of Ultrasonic Voice Communicati
4、ons ModulatorStudent majoring in Electronic information science and technology Lei Yan Tutor Abstract：With the rapid development of voice communications technology, because of its strong anti-interference, ultrasonic voice communication get more and more attention in communication system. Based on t
5、he / modulator model and the FPGA AM modulation technology of ultrasonic signal acquisition and processing, this paper use A/D converter insteading of A/D converter partly , make the FPGA hardware platform to realize the ultrasound modulation of the speech signal. A/D converter use sampling technolo
6、gy, noise plastic and digital filtering technology to increase effective resolution, its essence is the high rate for resolution, thus reduce the high precision A/D converter complexity, effective attenuation of the output signal with inner quantization noise and improve the signal-to-noise ratio wi
7、th inner. The design of software radio thought make penetrate of them, for a construction of circuit using simulators are through software programming method to realize, increase the flexibility of the system. In software simulation, use Quartus II development software, a VHDL and Quartus II embedde
8、d chart editor of the principle of mixing programming schema graphics input method way, write each module unit, FPGA internal realized the attenuation function. The simulation results of signal modulation is what we ask for.Key words: / modulator; Ultrasonic voice communication; FPGA；Quartus II1 绪论1
9、1 调制器的研究背景自90年代初以来，对Sigma-Delta调制型ADC/DAC的研究，一直是国际上的一个研究热点。随着集成电路设计进入系统芯片时代，由于Sigma-Delta调制型ADC/DAC的高精度的性能及其易于CMOS VLSI技术实现的优点，它已经成为用于系统级芯片的高性能的嵌入式ADC/DAC的主导技术和发展方向。目前,在美国加州Berkeley大学，Gray Paul R和Meyer Robert G两位教授所领导的研究小组正在进行高集成度的模拟集成电路的研究,他们的主要研究方向包括射频集成电路芯片的设计、数据通信芯片的研制、模数转换芯片的设计以及模拟CAD技术，其中重点之一就
10、是Sigma-Delta调制器在射频、通信和数据转换芯片中的应用和设计。而德州仪器公司在收购Burr-Brown公司后，利用Burr-Brown公司的生产线即将推出一款高精度的24位的Sigma-Delta模数转换器。基于这种情况下本文要做的是分析/调制器的工作原理及其在过采样率的信噪比分析。如果在Internet网上搜索关于语音调制器的信息将有几十万项，中文网站也有近万条信息，但目前国内外对超声波的研究主要是测距、清洗和传感等方面，将超声波作为语音信号的载体来进行语音通信的比较少，究其原因主要是因为超声波衰减快、传输距离较近。鉴于超声波语音传输的抗干扰性强等特点，将广泛应用于军事活动中；而随
11、着社会的高速发展，电子产品的大量出现，超声波语音通信将会广泛用于日常生活中，如遥控器等。12 软件无线电原理及特点无线电技术进行信息传输在现代电子应用中占有及其重要的地位, 无线电通信、电视、雷达、遥控遥测等, 都是利用无线电技术传输各种不同信息的方式。在这些信息的传递过程中, 都要用到调制技术。所谓调制是在传送信号的一方将所要传送的信号“附加”在高频振荡波上, 再由发送装置进行传送。121 软件无线电的基本原理软件无线电的基本思想是以一个通用化、标准化、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的设计方法中解放出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一
12、、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，尽量在靠近射频天线端实现信号的数字化处理。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新来改变硬件的配置结构，实现功能的扩展。软件无线电主要由多频段宽带天线、射频前端、宽带A/D D/A转换器、可编程能力强的高速DSP及各种软件组成。为了实现各个通信系统的互联互通,其中软件无线电的天线系统需要覆盖较宽的频段(一般2MHz2GHz)，宽带和良好的多功率射频转换能力，且要求每个频段的特性均匀。射频前端模块主要完成信号的低噪声放大、滤波、功率放大等功能，宽带A/D、D/A转换主要实现中频或尽量靠近射频端的模拟信号和数字信号的相互转化，由于中频信
13、号的带宽通常在十几兆赫兹到几十兆赫兹，因此这种数字化有别于一般工程中的模数变换，要求转换器具有相当宽的频带、很高的抽样频率、位数及一定的动态范围。可编程的高速DSP处理器完成信号数字化后的各种处理，如变频、滤波、调制、信道编译码、信道和接口的协议与信令处理、加解密、抗干扰处理、以及网络监控管理等。软件无线电系统的工作过程是：在接收端宽带或智能天线将接收到的来自不同系统的各个频段的宽带的模拟信号，经射频前端滤波、低噪声放大、模拟下变频处理后送至宽带A/D变换器，在这里实现接收信号的数字化后送到可编程的高速DSP，通过加载各种软件来灵活实现各种宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字下变频、调制解调、
14、差错编码、信令控制、信源编码及加解密功能,最后将处理后的数据传送至用户端。在发送端，通过类似接收信号处理的流程将数据通过天线发射出去。利用在线和离线软件，可以实现通信环境的分析、管理以及业务和理想的软件无线电系统结构性能的升级。122 软件无线电的特点(1)灵活性：通过软件编程来改变其工作模式,包括可编程的射频频段宽带信号接入方式、可编程调制方式、编码等。可通过软件工具来扩展业务、分析无线通信环境。利用软件进行升级无需额外增加或修改系统硬件设备,可减少设备费用的开支，因而大大降低了整个网络的成本。(2)开放性：软件无线电采用模块化的结构，模块的物理和电气接口技术指标符合开放标准，在硬件技术发展
15、时，允许更换单个模块，其硬件可以随着器件技术的发展而更新或扩展。软件无线电不仅能和新体制电台通信，还能与旧体制电台兼容，延长了无线电台的生命周期。(3)通用性：多个信道享有共同的射频前端与宽带A/D、D/A变换器以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能，即无需额外增加设备即可支持多种通信体制的并存，从而降低整个网络的成本。1. 3 超声波原理和特性 超声波是以人耳能听到声波频率为基准，其频率高于20khz不可闻的声波称为超声波。其最高频率可达到1011Hz。超声波是机械波，在传播过程其能量可为介质吸收而衰减，特别值得一提的是超声波在空气中的衰减基本上与频率的平方成正比，同时受空气的温度和湿度影响
16、很大，大致是湿度越低，衰减越大，这种影响随着频率的升高而越来越显著。超声波在不同介质的分界面上将会发生反射和折射现象。 超声波的频率高、波长短，因而有如下特性：（1）方向性好：由于超声波频率高，波长短，衍射现象不显著，因此容易得到定向而集中的超声波束。(2) 同电磁波相比有较强的抗干扰和防窃听能力。超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一，世界上各国均重视对超声波技术在现代军事、医学、生活工业等领域中的应用研究。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的，它的应用研究正是结合超声波之独有特性而展开的。超声波在军事上的主要应用是声纳和超声雷达，用来探测水下目标和探
17、测云层高度及云层漂移的速度。2 /调制器 21 /调制器/调制器可简单分为一阶、二阶和高阶调制器和/级联调制器、多位/调制器。一阶/调制器的结构框图如图2.1所示，在z域的表达式为： 2-1其中X表示输入信号，E表示量化噪声，Y表示调制器输出信号。式中可以看出，输出信号经过一个单位延时输出后，量化噪声相当于经过了一个低通滤波器，输出信号所包含的量化噪声大大衰减。重点考虑调制器对量化噪声的调制，同时假设输入信号等同于Nyquist转换器时的输入信号，给出调制后的信噪比。 图2.1 一阶x调制器的结构框图E(z)的频域表达式为 ，0ffs 2-2其中fs表示采样频率，VLSB表示最小量化单位所对应
18、的电压。所以，表示把Z噪声转换成F域的计算。我们在看一般情况，图2.2给出了最基本的过采样/调制器的结构图。 图 2.2/调制器结构输入信号 Xf( t) 经过一个采样频率为fs的采样保持( S/H )得到Xs(n)的信号；再经过积分和量化输出离散信号Y(n)，同时输出信号经过 DAC转换反馈回输入端与 X s( n )相减，然后再积分和量化，完成对连续信号的调制。与奈奎斯特 ADC s相比，过采样/调制器通过采用过采样和噪声整形技术降低信号带内量化噪声达到了较高的转换精度。由于量化器本身的有限阶数导致在量化过程中产生了量化误差，也称量化噪声7。 假设量化误差与输入信号不具相关性，量化噪声可表
19、示为一个白噪声，其功率谱密度： 2-3量化噪声功率、信噪比分别为 2-4 2-5(其中fs为奈奎斯特频率， fb为信号频率，en为量化噪声，SNR为量化器步阶大小，N 为精度 )。过采样技术就是采样频率以数倍的奈奎斯特频率进行采样，过采样率定义OSR = fs /fb。图2.3给出了过采样下量化噪声的功率频谱密度(PSD)，从中可知总噪声功耗不变,采样频率越高，噪声功率谱密度越小，带内噪声功耗也越小。过采样有效地将量化噪声拉到高频，从而使信号带内噪声功耗大大降低。 提高过采样率可以提高转换精度，采样频率每增加一倍，信噪比将提高 3dB，但是随着采样频率的提高，电路的设计将越来越苛刻。为了避免过
20、量增加采样频率，可使用噪声整形技术来有效提高转换精度。噪声整形技术就是将输出信号反馈回输入端与输入信号相减，再通过积分器积分，量化器量化， 以此来减少低频带内的量化噪声。对于调制器经噪声整形之后可表现为：在一阶的情况下量化噪声为 2-6二阶情况下量化噪声为 2-7三阶情况下量化噪声为, 2-8依此类推可以构想出一个 L阶情况下的噪声表达式，在Z域中表示为，则噪声传输函数为 2-9 2-10其中。 由式2-8可得图2.4，图中阴影部分是经过噪声整形后带内的量化噪声。噪声整形技术将大部分量化噪声拉到高频端，有效地降低了低频带内的量化噪声。提高调制器的阶数或者OSR能减少带内噪声，达到提高转换精度的
21、目的4。图 2.3 过采样下量化噪声 PSD图 2.4 一阶噪声整形的 NTF 幅值22 级联/调制器 高阶/调制器可以采用低阶调制器(零阶、一阶、二阶)级联实现，从而从设计上保证了系统的稳定性。级联调制器中前级产生的量化误差在后级被再次调制，然后在数字域进行误差抵消。因此，在理想的级联结构中，只有最后一级调制器的量化误差出现在级联调制器的输出中，量化噪声整形的阶数等于级联各级的阶数之和。级联/调制器的结构通常采用各级阶数的序列来表示，例如，二阶调制器和一阶调制器级联构成的三阶结构称为2-1级联结构，其中积分器传输函数为 2-11级联调制器能够实现几乎理想的噪声差分传输函数(除了误差增益因子p
22、)，而不需考虑稳定性问题。此外，第二级调制器输入信号本身就是噪声信号(第一级调制器的量化噪声)，因此理论上讲，级联调制器的杂波性能比任何单环结构都要好10。但是级联调制器中第一级量化噪声的抵消需要模拟积分器与数字误差抵消逻辑的精确匹配，因此相对于单环结构，级联调制器对于模拟元件的非理想性更加敏感。23 多位/调制器到目前为止，本章讨论的/调制器都是采用1位量化器。反馈DAC的线性度限制了整个调制器的线性度，由于1位DAC固有的线性度，采用1位量化器能够非常简单的实现高线性度的反馈路径。但是，这给电路其他方面的设计带来了严重影响。首先，1位量化器的量化噪声比较大，因此需要相对比较高的过采样率才能
23、有效减小信号带内量化噪声功率。而且，采用1位量化也是高于二阶的单环调制器出现不稳定的原因。分析研究表明，如果调制器中量化器的位数等于或者大于调制器的阶数，那么高阶单环噪声差分调制器结构是稳定的。此外，采用多位量化器能够大大降低调制器输出量化噪声频谱中的杂波的强度。在“白噪声近似”条件下，量化器位数的增加能够直接减小量化噪声功率。因此，L阶多位噪声差分调制器的动态范围为： 2-12其中B是量化器的位数。多位量化器的一个重要特征是调制器的分辨率的提高与过采样率无关，因此，这种调制器结构适用于不能采用高过采样率的高速系统中。由于多位量化器的上述优势，人们开始研究降低DAC非线性的技术以及这些技术对/
24、调制器性能影响。降低DAC非线性的技术包括模拟校准技术、数字校正技术、级联结构中的噪声整形技术以及DAC元件选择技术等。目前，针对多位量化/调制器的研究大多数集中在动态元件选择算法的研究。作者没有专门对此类算法进行研究，因此本章节主要研究1位量化的/模数转换器。3 FPGA的AM调制 31 AM调制的基本原理通信的目的就是实现信息的传输或消息的传递，要实现这一目的通信系统中需要两种变换。首先，发送端的消息要变换成原始电信号，接收端收到的信号要反变换成原来的消息。由于原始电信号通常具有很低的频谱分量(我们称这种信号为基带信号)，一般不宜直接传输，因此常常需要有第二种变换：将原始信号变换成其频带适
25、合信道传输的信号，并在接收端进行反变换。这种在发送端将基带信号频谱搬移到给定信道通带内的过程称之为调制；而在接收端把已搬到给定信道通带内的频谱还原为基带信号的过程称之为解调。调制和解调在通信系统中是一个极为重要的组成部分，采用什么样的调制与解调方式将直接影响到通信系统的性能。幅度调制的定义就是用需要传送的信息(调制信号)去控制高频载波振荡电压的振幅，使其随调制信号作线性关系变化。假设正弦载波信号电压为： 3-1式中，为载波角频率；为载波初始相位；A为载波的幅度。那么，幅度调调制信号(已调信号)一般可表示成: 3-2设调制信号m(t)的频谱为M(f)，则由式(3-2)不难得到己调信号：Sm(t)
26、的频谱SM(f)，即: 3-3由式(3-3)还可以看出幅度调制信号的一般产生方法。幅度调制器的一般模型如图3.1所示，设m(t)的频谱为M(f)，滤波器特性为H(f)，其冲激响应为h(t)。之所以称图3.1为调制器的一般模型，是因为在该模型中适当选择滤波器的特性H(f)，便可以得到各种幅度调调制信号。例如，调幅、双边带、单边带及残留边带信号等。 图3.1 幅度调制的一般模型从图中可得已调信号的时域和频域一般表达式为: 3-4 3-5式中，fc为载波频率，H(f)和h(t)互为傅立叶变换。由式(3-5)可见，对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规律变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带
27、信号频谱结构在频域内的简单搬移，由于这种搬移是线形的，因此幅度调制通常又称为线形调制。但应注意的是，这里的“线形”并不意味着已调信号与调制信号之间符合线性关系。事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。下面介绍一下AM调制。 调幅(AM)(图3.1)中，假设调制信号m(t)叠加直流A后与载波相乘(见图3.2)，滤波器H(f)=1为全通网络，就可以形成调幅(AM)信号。其时域和频域表达式分别是: 3-6 3-7式(3-7)中，A0为外加的直流分量，m（t）可以是均值为0的确知信号，也可以是随机信号，但通常认为其平均值为O。图3.2 AM调制器模型振幅信号的一个重要参数是调幅度m，调幅度m的定
28、义为： 3-8M=1称为满调幅，此时。一般m小于1，只有A(t)min为负值，出现过调幅时，m才大于1。当m1时用包络检波的方法很容易恢复出原始的调制信号。下面以输入单频余弦波的情况为例具体分析振幅调制的时、频域特征。设输入信号m(t)=AmCos，载波信号：，则振幅调制后的表达式为： 3-9式中：；由上式可见，输入单频余弦信号的时候，已调幅信号由三个余弦信号组成，基带信号频率被调到了载波频率附近。已调信号的频谱包含有正弦载波分量，即有相当一部分功率消耗在载波上。因此，AM信号的功率利用率是比较低。但由于其调制和解调都很简单，因而得到了广泛的应用。这里测试中的基带信号频率为1 kHz,调幅指数
29、为0.5。通过示波器测得AM调制信号的波形如图3.3所示，从图3.3可见,调制指数为0.5的AM调制的波形与理论相符，达到很好的效果。 图3.3 AM调制信号实测波形32 直接数字频率合成器的原理321 DDS的基本原理 一个频谱纯净的单频率信号可表示为： 3-10只要幅度U和初始相位。随时间变化是常数，它的频谱就是位于f0的一条谱线。为分析方便，设想U=1，=0，即： 3-11这种单频信号的相位是时间的线性函数，即： 3-12相位函数对时间的导数是常数： 3-13它就是信号的频率。如果对式(3-10)的信号进行采样，采样周期为Tc(采样频率fc=1/Tc)，可得离散的波形序列： (n=0,1
30、,2) 3-14相应的离散相位序列: (n=0,1,2) 3-15式中： 3-16是连续两次采样之间的相位增量。根据采样定理，只要 3-17就可以从式(3-15)的离散序列唯一地恢复出式(2-11)模拟信号。从式(3-16)可知，是相位函数的斜率决定了信号的频率。从式(3-17)可见，决定相位函数斜率的则是两次连续采样之间的相位增量。因此，只要控制这个相位增量即可控制合成信号的频率。现将整个周期的相位折分割为M等份，每一份 3-18为可选取的最小相位增量。若每次的相位增量就取为，此时相位增长的斜率最小，得出最低的输出频率： 3-19经滤波得到的合成模拟信号为： 3-20若每次的相位增量取的K倍
31、，则所得信号频率为： 3-21相应的模拟信号为： 3-22根据采样定理，K的最大值应小于M的二分之一。 通常取M=2N，则输出的频率为： 3-23综上所述，只要改变两次连续采样之间的相位增量，就可改变输出信号的频率，这就是直接数字频率合成的原理。33 基于FPGA的AM调制的设计 基于上述思想我们提出了FPGA实现AM调制的设计图，如图3.4所示。FPGA内部实现的主要功能单元是：时钟管理单元、周D时序产生单元、D/A时序产生单元、单片机接口单元、载波DDS单元、内调制信号DDS单元、调制度调整单元、载波幅度调整单元、调制器单元。其中，DDS单元主要由相位累加器模块、相位调制器模块、正弦ROM
32、查找表模块构成，主要任务是产生正弦载波离散序列信号及内调制离散信号序列；调制器单元是一个数字乘法器，其主要作用是将离散的正弦载波信号与离散的调制信号进行相乘，从而完成调制功能。至于各单元的具体实现将在在最后一章中进行详细介绍。 图3.4 FPGA实现各功能单元的方框图4 系统的硬件电路设计本系统硬件电路主要由AM调制电路和功放电路组成，其中AM调制电路包括模拟部分、数字部分和电源部分。下面分别就各部分具体电路进行介绍。模拟电路部分的主要任务是对模数转换前或数模转换后的模拟信号进行处理。具体由拾音器及供电电路、放大电路、滤波器电路、模数转换器电路和数模转换器电路组成。41 超声波语音发信机的设计
33、 整个超声波语音发射部分硬件电路由以下两部分电路组成:AM调制电路和功放电路。AM调制电路由模拟部分、数字部分、电源部分组成，且同在一块电路板，功放电路是单独一块电路板。(l)模拟部分:主要完成对语音调制信号的前置放大、滤波处理和己调波信号的后置处理。(2)数字部分:主要设计可编程逻辑器件FPGA与单片机硬件设计平台及其各自的外围电路。(3)电源部分:根据各部分电路的要求为其提供所需要的电压。(4)功放电路部分:将数模转换器处理完的已调幅波进行功率放大，并由换能器转化为超声波发出。42 拾音器及供电电路 拾音器采用驻极体形式，它由声电转换和阻抗变换两部分组成。声电转换的关键元件是驻极体振动膜，
34、当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。因而它的输出阻抗值约几十兆欧。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的，所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏极(D)三个极。驻极体话筒与电路的接法有两种:源极输出与漏极输出，见图4.1所示。Rs和RD的大小要根据电源电压大小来决定，一般可在2.2-5.1k间选用。总之，不管是源极输出或漏极输出，驻极体话筒必须提供直流电压才能工作，因为它内部装有
35、场效应管。 图4.1 驻极体话筒的两种供电电路图43 放大电路 本文所采用的放大电路实际是一个反相比例电路。可用集成运放和电阻组成深度负反馈电路来实现反相比例电路。基本反相比例电路，如图4.2所示。 图4.2 基本反相比例电路 由于输入电压Ui加在反相端，故输出电压U0与输入电压Ui反相位。图4.2中，输入回路电阻R1与信号源相串联，其作用与信号源内阻Rs相似。输入端平衡电阻R满足R=R1/Rf。因集成运放的输入级由差动放大电路组成，要求两个输入端的输入回路参数对称，即从集成运放反相输入端和地两点向外看的等效电阻Rn应等于从集成运放同相输入端和地两点向外看的等效电阻Rp，即 Rn=Rp 4-1
36、这里: Rn=R1/Rf，Rp=R反相比例电路的电压放大倍数Au为: 4-2 其中，负号表示输出电压与输入电压变化方向相反。对于正弦信号，两者相位相反；对于直流信号，两者的正负极性相反。模拟部分的前级放大电路和后级放大电路均采用这种反相比例电路来实现。各级放大电路中电阻的取值应根据系统指标来确定，对于调制信号前置处理模模块的放大电路而言，由于它后级接的电路是AD模数转换器，对输入信号的电压和直流都有一定的要求，因此，我们在设计具体电路时增加了直流电平和电压放大倍数调整电位器，以增加电路的灵活性。拾音器前级放大电路如图4.3所示： 图4.3拾音器前级放大电路44 模拟滤波器电路 模拟滤波器一般是
37、指用有源元件(运算放大器)和无源元件(R、L、C)构成的波形过滤的电路部件。它使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。利用这种选频特性，可以采用滤波器来滤除干扰噪声或进行频谱分析。尽管数字滤波技术已得到广泛应用，但模拟滤波在信号调理电路中仍然是不可完全替代的。所有数字系统的前端或后端，一般都需要对信号进行处理，如在对信号抽样量化处理之前，需要一个对信号最高频率进行限制的处理，这只能使用模拟低通滤波器。在数模转换后也要对信号进行有针对性的带通滤波处理，都要用到有源模拟滤波器。周采样电路前端的电路需要有一个抗混叠低通滤波器，电路中采用了巴特沃斯二阶低通滤波器，如图4.4所示，巴特沃斯
38、二阶低通滤波器的截止频率为。电路中可结合实际情况选定相应的电容和电阻值的大小，系统选用的运算放大器为OPA2344。设计的滤波器的截至频率为2kHZ，选取C=0.luf，经计算取R=800(C对应电路中C1、C82等于0.luF;R对应电路中的R59、R60等于800)。后级带通滤波电路是由低通滤波和高通滤波级联而成的。条件是低通滤波器的通带截止频率要高于高通滤波器的通带截止频率，这样所要求的通带内的频率信号才能通过。用这样的方法构成的带通滤波器通带宽，而且通带的截止频率易调整。本电路中采用的运放为NEC5532，具体电路如图4.5所示: 图4.4前级低通滤波器 图4.5后级带通滤波电路 上述
39、带通滤波器中，低通滤波器的高频截止频率和高通滤波器的低频截止频率计算方法与前面的巴特沃斯二阶低通滤波器相同，只是调整一下电阻和电容的值而已。45 A/D转换电路 TLC0831/TLC0831C/ TLC0831I是TI公司生产的八位逐次逼近式AD转换器，它有一个差分输入通道，串行输出配置为与标准移位寄存器或微处理器兼容的Microwire总线接口，极性设置固定，不需寻址。其内部有一采样数据比较器将输入的模拟信号微分比较后转换为数字信号。模拟电压的差分输入方式有利于抑制共模信号和减少或消除转换的偏移误差，而且电压基准输入可调，使得小范围模拟电压信号转化时的分辨率更高。由于标准移位寄存器或微处理
40、器将时间变化的数字信号分配到串口输出，当IN-接地时为单端工作，此时IN+为输入，也可将信号差分后输入到N+与N-之间，此时器件处于双端工作状态。其特点如下： （1）8位分辨率； （2）单通道差输入； （3）5V的电源提供05V可调基准电压； （4）输入和输出可与TTL和CMOS电平兼容； （5）时钟频率为250KHz下，转换时间为32uS； （6）总失调误差为1LSB； （7）提供DIP8封装。TLC0831的管脚排列及功能说明如下： 图4.6 TCL0831引脚图其工作时序如图4.7： 图4.7 TLC0831时序图5 软件仿真及结果分析利用Quartus II来进行软件仿真。51 FPGA 的结构和特点FPGA是一类高集成度的可编程逻辑器件，起源于美国的Xillnx公司，该公司于1985年推出了世界上第一块FPGA芯片。在这二十年的发展过程中，FPGA的硬件体系结构和软件开发工具都在不断的完善，日趋成熟。从最初的1200个可用门，90年代时几十万个可用门，发展到目前数百万门至上千万门的单片FPGA芯片，Xilinx、Altera等世界顶级厂商已经将FPGA器件的集成度提高到一个新
