Разработка цифрового анализатора сигналов на базе ПЛИС FPGA

Учебная экспериментальная база любого вуза достаточно консервативна в силу материальных ограничений. В постановке лабораторного практикума по электротехническим дисциплинам без дорогостоящего измерительного оборудования обойтись сложно. Наиболее широкое распространение получили такие приборы как цифровой вольтметр, осциллограф, анализатор спектра. Выпускаемые промышленностью приборы, как правило, обладают избыточной функциональностью, неизбежно влияющей на конечную для потребителя стоимость. При этом подобные приборы плохо поддаются модернизации.

В большинстве электротехнических учебных дисциплин для проведения лабораторного практикума достаточно четырехканального осциллографа с полосой измеряемого сигнала до 1 МГц. При этом некоторые каналы могут быть использованы в качестве вольтметров. Для удешевления конструкции измерительный прибор целесообразно выполнить в виде USB приставки к персональному компьютеру (ПК). Такой подход упростит цифровую обработку измеряемого сигнала, позволит накапливать и сохранять результат измерения, расширит функциональность, позволит легко адаптировать прибор для изучения конкретных дисциплин. Разрабатываемый прибор – цифровой анализатор сигналов – должен обладать возможностью измерения сигнала в частотной и временной областях, а также статистических характеристик и параметров сигнала, таких, как плотность распределения вероятности, математическое ожидание и дисперсия.

В лаборатории электронных средств обуче-ния СибГУТИ разработано универсальное изме-рительное устройство USB-анализатор сигналов. Устройство представляет собой прибор-приставку к ПК. К персональному компьютеру анализатор сигналов подключается через порт USB. Все индикаторы и органы управления отображаются на мониторе ПК.

Устройство имеет четыре симметричные канала аналогового ввода. Измеряемый сигнал поступает на управляемый аттенюатор, обеспечивающий высокое входное сопротивление (1МОм). Аттенюатор реализует переключение пределов измерения, а также закрытый и открытый вход, имеет четыре дискретных откалиброванных значения ослабления, подобранных таким образом, что бы обеспечить диапазоны входных напряжений ± 20В, ±10В, ±4В, ±1В.

Для устранения эффекта наложения (aliasing) спектров, возникающего при конечной частоте дискретизации АЦП используется антиалайзинговый фильтр низких частот. Важное требование к антиалайзинговому фильтру – линейность фазовой характеристики в полосе пропускания. Неравномерность амплитудной характеристики в дальнейшем скомпенсирована цифровой фильтрацией. В разработанном приборе применены фильтры Бесселя, отличительной особенностью которого является максимально гладкая характеристика группового времени задержки (линейная фазочастотная характеристика).

В устройстве использованы 8-битные АЦП фирмы Analog Devices, рабочая частота преобразования которых 50 МГц. АЦП имеют параллельный цифровой выход. Работой АЦП управляет программируемая логическая схема структуры (ПЛИС) FPGA (field-programmable gate array). Задача ПЛИС – одновременный опрос всех АЦП на рабочей частоте 50 МГц, предварительная цифровая обработка, результат которой храниться в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) и в дальнейшем через интерфейс FIFO (first-in, first-out) передается в ПК. Интерфейс FIFO реализован с помощью микросхемы преобразователя USB-FIFO фирмы FTDI. Использование ПЛИС позволило добиться полной синхронности работы всех измерительных каналов, что позволяет выполнять синхронизацию и измерять фазовые соотношения измеряемых сигналов с высокой разрешающей способностью.

Избыточная частота дискретизации уменьшает требование к аналоговому антиалайзинговому фильтру, но при измерении спектра медленно изменяющегося сигнала разрешающей способности по частоте может быть недостаточно. Подобный интервалу времени Δt между выборками в области времени, имеется интервал по частоте, или разрешающая способность по частоте, между компонентами спектра сигнала в области частот, который определяется уравнением:

где Δf – разрешающая способность по частоте; f_s – частота дискретизации; N – число отсчетов в выборке; NΔ·t – полное время получения выборки.

Чтобы улучшить разрешающую способность по частоте, то есть уменьшить Δf, необходимо увеличить количество отсчетов в выборке (N) и сохранить постоянной или уменьшит f_s, сохранив N. Оба подхода эквивалентны увеличению длительности NΔ·t, которая является продолжительностью выборки. Увеличение N ограничено размером ОЗУ, потому наиболее предпочтительным является уменьшение частоты дискретизации при измерении низкочастотного сигнала.

Формально уменьшить частоту дискретизации в M раз можно было бы просто, передавая в память с АЦП только каждый M-ый отсчет входного сигнала. Устройство, выполняющее такую задачу, называется дециматором [1]. Но сигнал на входе дециматора не должен содержать спектральных составляющих в полосе образов полезного сигнала, поэтому, перед тем как отбрасывать лишние отсчеты, сигнал нужно ограничить по полосе — произвести цифровую фильтрацию. При этом в фильтрации должны принимать участия все отсчеты, поступающие с АЦП. Задача усложняется тем, что выходной поток данных с АЦП поступает на вход этого фильтра с очень большой скоростью, в нашем случае это 50 МГц. Для решения этой задачи в разработанном устройстве применены цифровые однородные децимирующие фильтры. Особенность однородных фильтров заключается в том, что при их реализации не требуется выполнять операцию умножения, и как следствие такой фильтр легко реализуется в недорогой ПЛИС, даже при большом коэффициенте децимации. В разработанном устройстве реализованы фильтры с программно переключаемым коэффициентом децимации от 1 до 2048, что позволяет при быстродействии АЦП 50 МГц измерять сигнал с регулируемой частотой дискретизации от 50 МГц до 25 кГц. В аналоговом осциллографе такая возможность эквивалентна изменению временной развертки.

Программное обеспечение, выполняемое на компьютере, разработано в программной среде LabVIEW. Пакет LabVIEW всегда был одним из лучших средств для инструментального управления и сбора цифровых данных или представления их на мониторе ПК [2]. С общей точки зрения графическая среда LabVIEW проста для сборки и понимания. Программное обеспечение анализатора сигналов разработано в двух видах – как отдельная библиотека готовых модулей (виртуальных приборов) с открытым кодом для самостоятельной работы с прибором в среде LabVIEW, и готовой многофункциональной программы, позволяющей максимально раскрыть потенциал измерительного устройства.

При измерении спектра сигнала, даже когда дискретизация выполняется по критерию Найквиста, ограничение выборки вызывают утечку энергии, называемую растеканием спектра [2]. Кроме того, утечка может проявляться из-за недостатка ортогональности между некоторыми компонентами частоты в исходном сигнале и множеством базисных функций (векторов) при дискретном преобразовании Фурье (ДПФ) [2]. При растекании спектра энергия спектральной составляющей сигнала на одной частоте как бы просачивается на все другие частоты. Поэтому даже при условии, что используются надлежащие методы дискретизации сигнала, измерения не могут привести к масштабируемому одностороннему спектру из-за его растекания. Способ, которым уменьшается произвольная часть спектральных оставляющих сигнала, заключается в использовании цифровой фильтрации особого рода – применение взвешивающих оконных функций. Этот фильтр обеспечивает значительное уменьшение амплитуды для любых спектральных составляющих сигнал а вдали от дискрета по частоте. Окна сглаживания использованы, чтобы улучшить спектральные характеристики дискретного сигнала. Существует множество оконных функций, например, окно Хэмминга (Hamming), окно Хэннинга (Hanning), окна с плоской вершиной (Flat top) и многие другие. Так как выбор соответствующего окна сглаживания сугубо индивидуальная задача, зависящая от характера измерения, в разработанном приборе целесообразно было доверить этот выбор конечному пользователю – реализовать удобный интерфейс переключения окон при спектральном анализе.

Программный пакет LabVIEW позволил создать удобный, интуитивно понятный интерфейс пользователя с возможностью сохранения результатов измерения на жесткий диск компьютера для последующей обработки.

На рисунках 3 и 4 изображены осциллограммы и спектр типовых сигналов. Измерения производятся по одному каналу, диапазон измерения ±10В, частота дискретизации 10 МГц. Первый тестовый сигнал – гармоническое колебание, амплитуда – 10 В, частота – 100 кГц. Второй тестовый сигнал – сигнал прямоугольной формы, скважность Q=2, размах сигнала – 20 В, частота – 100 кГц. Тестовый сигнал формировался низкочастотным генератором сигналов Г3-112.

При нахождении спектра сигнала использовалось 16384 отсчета. Для подавления эффекта растекания спектра использовано окно Хэннинга (Hanning). На рисунке показан спектр амплитуд, нормирование произведено по амплитуде максимальной компоненты сигнала. Измерение сигнала в частотной области позволяют выделить спектральные составляющие сигнала с относительной амплитудой до -60дБ.

Разработанный анализатор сигналов обладает следующими характеристиками (Табл.1):

Интерфейс взаимодействия с ПК – USB 2.0, питается анализатор от силовой линии интерфейса и не требует дополнительного источника питания, потребляемая мощность не превышает 2,5 Вт.

Хотя максимальный диапазон измеряемого напряжения составляет ±20 В, при включенном питании устройство защищено от повышенного напряжения вплоть до ±50В.

Разработанное измерительное устройство представляет собой малогабаритный прибор – многофункциональный USB анализатор сигналов с функцией осциллографа, спеткроанализатора и электронного вольтметра. Анализатор сигналов имеет четыре канала аналогового ввода с полосой пропускания 1 МГц. Входные цепи защищены от перегрузки.

Анализатор сигналов предназначен для работы с персональным компьютером. Питание осуществляется от шины USB. В совокупности с ПК устройство представляет собой многофункциональный аппаратно-программный измерительный комплекс. Возможности комплекса позволяют использовать его в учебных лабораториях.

1. Микушин А.В., Сединин В.И, Малинкин В.Б. Цифровая схемотехника. Монография.
– Красноярск: Поликом, 2008 г. –328 с.
2. Федосов В.П., Нестеренко А.К. Цифровая обработка сигналов в LabVIEW // под ред. В.П.Федосова.
– М.:ДМК Пресс, 2007. – 472с.: илл