基于FPGA的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)(共47頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于FPGA的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)學(xué) 生：黃建華學(xué) 號：指導(dǎo)教師：楊力生專 業(yè)：電子信息工程重慶大學(xué)通信工程學(xué)院二O一三年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityDesign of Digital Filter Based on FPGAUndergraduate: Huang JianhuaSupervisor: Yang LishengMajor: Electronic Information EngineeringCollege of Communication Engin

2、eeringChongqing UniversityJune 2013專心-專注-專業(yè)摘 要數(shù)字信號處理在通信、雷達(dá)、聲納等中有著廣泛的應(yīng)用。數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)是數(shù)字信號處理的關(guān)鍵技術(shù)之一，有著十分重要的理論和實(shí)際意義。隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，在許多場合，數(shù)字濾波器正在快速取代模擬濾波器。FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列）在現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。從設(shè)計(jì)簡單的接口電路到設(shè)計(jì)復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)，F(xiàn)PGA所扮演的角色已經(jīng)不容忽視。本論文完成了基于FPGA的FIR和IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本論文首先理論分析討論了數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，并使用MATLAB工具驗(yàn)證采用哪種窗函數(shù)來設(shè)計(jì)FIR數(shù)字

3、濾波器，使用哪種模擬濾波器原型映射IIR數(shù)字濾波器。然后根據(jù)模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo)來確定數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)，在MATLAB環(huán)境下按照數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，并得到濾波器系數(shù)，編程實(shí)現(xiàn)系數(shù)量化，并且比較分析量化前后系統(tǒng)響應(yīng)的差異，由此得到合適的量化等級。然后在ISE軟件平臺下根據(jù)MATLAB工具得到的量化系數(shù)，使用VHDL語言進(jìn)行FIR和IIR濾波器算法模塊編程，同時對AMP電路（可編程預(yù)放大器）模塊、AD電路（模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器）模塊和DA電路（數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器）模塊分別進(jìn)行編程配置，并且對各模塊進(jìn)行嚴(yán)格的軟件仿真驗(yàn)證，其中AMP電路模塊、AD電路模塊和DA電路模塊必須進(jìn)行硬件驗(yàn)證。

4、最后將所有軟件和硬件驗(yàn)證無誤的模塊整合，下載到FPGA硬件中，進(jìn)行功能驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：FIR濾波器，IIR濾波器，MATLAB，F(xiàn)PGA，VHDLABSTRACTDigital signal processing has been widely used in communications, radar, sonar and many other fields. The design of digital filter is one of the key technologies of digital signal processing, which has a very

5、important theoretical and practical significance. As digital technology continues to develop, on many occasions, the digital filter is rapidly replacing analog filters. FPGA (field-programmable gate array) in modern digital circuit design is playing an increasingly important role. From the design si

6、mple interface circuit to the design of the complex state machine, FPGA's role has not been to ignore. This thesis accomplishes a FPGA-based FIR and IIR digital filter design and implementation. This thesis first theoretically analyses the method of digital filter design ,with MATLAB tool verify

7、ing which window function is suitable for the FIR digital filter design, which analog filter prototype maps IIR digital filter . And according to the technical specifications of the analog filter the paper determines the specifications of the digital filter. Next in the MATLAB environment in accorda

8、nce with the technical specifications of the digital filter the paper designs digital filters. And the paper gets the filter coefficients, programming to quantify the coefficients. And the paper has comparative analysis of before and after quantitative differences the system response, thereby obtain

9、ing a suitable quantization levels. Then in the ISE software platform according to the obtained quantized coefficients with MATLAB tools, the paper uses VHDL language to program FIR and IIR filter algorithm module. While the AMP circuit (programmable pre-amplifier) module, AD circuit (analog to digi

10、tal converter) circuit module and DA (digital to analog converter) module are programmed to be configured. And each module has rigorous software simulation, where AMP, AD and DA circuit module must have hardware verification. Finally the paper integrates all the software and hardware verification co

11、rrect modules, downloading to the FPGA hardware for the functional verification. The Verified result meets the design requirements.Key words： FIR filter, IIR filter, MATLAB, FPGA, VHDL目 錄1 緒論1.1 課題研究背景及意義數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，DSP)技術(shù)是從20世紀(jì)60年代以來，隨著信息學(xué)科和計(jì)算機(jī)學(xué)科的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。因?yàn)槎鄶?shù)科學(xué)和工程遇到的

12、是模擬信號，所以以前都是研究模擬信號處理的理論和實(shí)現(xiàn)。但是模擬信號處理難以做到高精度，受環(huán)境影響較大，可靠性差，且不靈活等。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，加之?dāng)?shù)字信號處理技術(shù)的不斷成熟和完善，數(shù)字信號處理已經(jīng)逐漸取代模擬信號處理。相比于模擬信號處理，數(shù)字信號處理具有精度高、靈活性高、可靠性強(qiáng)、容易大規(guī)模集成、時分復(fù)用、可獲得高性能指標(biāo)、二維和多維處理等優(yōu)點(diǎn)1。數(shù)字信號處理廣泛應(yīng)用在濾波與變換、通信、語音、圖像、消費(fèi)電子、工業(yè)控制和自動化、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域。并且，數(shù)字信號處理在數(shù)字匯聚、遠(yuǎn)程會議系統(tǒng)、融合網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字圖書館、多媒體通信、個人信息終端等新興領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理中很

13、重要的一個分支。數(shù)字濾波器是對數(shù)字信號實(shí)現(xiàn)濾波的離散時間系統(tǒng)，它將輸入的數(shù)字序列通過特定運(yùn)算轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧臄?shù)字序列2。根據(jù)沖激響應(yīng)函數(shù)的時域特性，可將數(shù)字濾波器分為兩種，即無限長沖激響應(yīng)IIR濾波器和有限長沖激響應(yīng)FIR濾波器。數(shù)字濾波器一般由數(shù)字乘法器、加法器和延時單元組成的一種算法或裝置。模擬濾波器分為有源和無源的，有源濾波器主要由集成運(yùn)放、電阻、電容構(gòu)成，無源的濾波器主要由R,L,C構(gòu)成3。模擬濾波器的物理構(gòu)成導(dǎo)致存在電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題。模擬濾波器還存在一個很嚴(yán)重的問題，當(dāng)技術(shù)指標(biāo)改變時，其常常要更換電容、電感、運(yùn)放等元件，相當(dāng)繁瑣。FPGA（Field-Progmable G

14、ate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，與早期的PROM、PLA、PAL、GAL、EPLD等可件相比，在結(jié)構(gòu)、工藝、集成度、功能、速度和靈活性方面都有很大的改進(jìn)和提高4。FPGA的在線可重編程特性使FPGA設(shè)計(jì)靈活性得到很大的提高。這些改進(jìn)和提高使FPGA廣泛應(yīng)用在控制、數(shù)字信號處理、嵌入式等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用空間。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)研究都集中在不同的VLSI技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。這些濾波器的架構(gòu)已很大程度上取決于目標(biāo)應(yīng)用程序的特定實(shí)現(xiàn)。如今幾個廣泛使用的數(shù)字信號處理器有德州儀器TMS320數(shù)字信號處理器，摩托羅拉56000和ADI公司的ADSP-2100系列，它們用來實(shí)現(xiàn)高速率的

15、音頻濾波處理。這些器件是非常靈活的，但性能上有缺陷5。而采樣頻率大于100 MH的高性能濾波設(shè)計(jì)，可以采用CMOS和BiCMOS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)并且使用從全定制技術(shù)到傳統(tǒng)技術(shù)出廠配置門陣列的方法。這些努力成果促進(jìn)了特定應(yīng)用領(lǐng)域的高性能濾波器設(shè)計(jì)的發(fā)展。定制VLSI技術(shù)存在幾個潛在的缺點(diǎn)，但對于特定的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)目的，它確實(shí)能保證最佳的性能和效率。最明顯的問題是這種定制技術(shù)缺乏靈活性6。定制器件通常只適合某個特定的應(yīng)用程序，并不能容易地重新配置，即使在同一領(lǐng)域的其他應(yīng)用。定制VLSI技術(shù)還存在另一個問題是缺乏適應(yīng)性。典型的定制技術(shù)不允許器件的功能在系統(tǒng)上進(jìn)行修改比如故障維護(hù)。雖然這些問題在周詳考慮下可

16、以克服，但性能上的代價，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度以及額外的設(shè)計(jì)時間使問題的解決不是那么靈活7。缺乏靈活性阻礙了某些特殊算法在高性能實(shí)時系統(tǒng)上進(jìn)行有效的評估。只有大批量應(yīng)用或者極為關(guān)鍵的少批量應(yīng)用才能平衡定制方案的開發(fā)費(fèi)用。但也存在很多算法在通用處理器上不能實(shí)現(xiàn)，并且在全定制的方案中不存在共通的地方。這些算法也不能通過傳統(tǒng)的方法進(jìn)行評估，從而限制了創(chuàng)新8?，F(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），可以緩解定制方法的一些問題。FPGA是可編程邏輯器件，與傳統(tǒng)的定制門陣列有明顯類似。雖然有各式各樣的FPGA實(shí)現(xiàn)方法，但存在一些比較普及的方法，它們都涉及任意可編程邏輯陣列塊以及用于互連陣列塊可配置布線資源。許多常用的FPGA

17、是在系統(tǒng)可編程的，通過簡單的重新編程，可以修改器件功能。FPGA的可編程性也有很多限制。特別是，F(xiàn)PGA的密集度只能達(dá)到單個模塊一定復(fù)雜度的水平。器件架構(gòu)的約束性也導(dǎo)致FPGA有所缺陷，比如邏輯塊中的邏輯單元制約性和陣列中的線路延遲。但這些困難都可以通過周密設(shè)計(jì)來克服。由于集成電路的制造技術(shù)日益發(fā)展，F(xiàn)PGA高密度和高速度的趨勢也將愈發(fā)明顯。許多FPGA系列都是基于存儲技術(shù)，這方面的發(fā)展也必然帶來FPGA的發(fā)展。這也使FPGA在某些具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用變得可能9。FPGA非常適合定點(diǎn)數(shù)字信號處理算法。FPGA相比于DSP的優(yōu)勢在于FPGA的可重配置性所帶來的附加靈活性。除了低成本實(shí)現(xiàn)高性

18、能系統(tǒng)，由于集成電路制造時間短，F(xiàn)PGA的設(shè)計(jì)測試周期也相當(dāng)短?？紤]到不可預(yù)見的要求，這種新方法還可以進(jìn)行調(diào)整。相比于DSP，F(xiàn)PGA的缺陷在于FPGA架構(gòu)帶來的密集度和布線限制性。另外邏輯門單元的數(shù)目和運(yùn)算單元的數(shù)目也是有限的。陣列中的模塊互連也存在一定的延遲。我國DSP技術(shù)起步較早，有很大的研究成果，基于FPGA數(shù)字信號處理的應(yīng)用也與國外幾乎同步發(fā)展。各大高校和研究所在這方面與ALTERA、XILINX等FPGA公司都有密切聯(lián)系和合作。1.3 研究思路對模擬濾波器和數(shù)字濾波器進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)數(shù)字濾波器有很多優(yōu)點(diǎn)。由此對于數(shù)字濾波器的研究顯得更為重要和富有前景。選擇在FPGA上實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器是

19、因?yàn)橄啾扔谄渌布?shí)現(xiàn)方法，它更具靈活性，成本又低，而性能又高。數(shù)字濾波器分為兩種，即有限長沖激響應(yīng)FIR濾波器和無限長沖激響應(yīng)IIR濾波器。設(shè)計(jì)FIR濾波器有兩種常用設(shè)計(jì)方法：從時域出發(fā)的窗函數(shù)法和從頻域出發(fā)的頻率采樣法。本FIR濾波器設(shè)計(jì)采用窗函數(shù)法。但窗函數(shù)有很多種類，比如矩形窗、三角形窗、漢寧窗、海明窗等。本設(shè)計(jì)采用布拉克曼窗，其中原因會在下文加以闡述。IIR濾波器可以利用模擬濾波成熟的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。模擬濾波器的原型也有很多種類，有巴特沃斯、切比雪夫、橢圓等。本IIR濾波器選擇橢圓濾波器來設(shè)計(jì)，原因會在下文闡述。按照上述分析，利用MATLAB進(jìn)行濾波器理論設(shè)計(jì)，從中獲得濾波器系數(shù)。

20、在ISE平臺下，根據(jù)濾波器系數(shù)，使用VHDL語言對濾波器算法進(jìn)行編程并仿真驗(yàn)證。對于濾波器算法的硬件功能效果，必然還要用到AD電路（模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換）模塊和DA電路（數(shù)字到模擬）模塊。所用本設(shè)計(jì)還要根據(jù)其時序電路，對AMP電路（可編程欲放大器）模塊，AD電路模塊和DA電路模塊進(jìn)行編程設(shè)計(jì)并且仿真驗(yàn)證。為了確定這三個關(guān)鍵模塊是否配置成功，還必須下載到硬件中進(jìn)行測試。各個模塊都驗(yàn)證成功，將其整和到一個整體程序，下載到硬件中進(jìn)行驗(yàn)證。 2 FIR數(shù)字濾波器簡介2.1 FIR數(shù)字濾波器的原理一個數(shù)字濾波器可以用系統(tǒng)函數(shù)、單位脈沖響應(yīng)和差分方程進(jìn)行描述。其中系統(tǒng)函數(shù)可表示為： （式2.1）直接由H(z)得

21、出表示輸入輸出關(guān)系的線性常系數(shù)差分方程為: （式2.2）FIR數(shù)字濾波器是指其單位沖激響應(yīng)h(n)是有限長序列。故可知其系統(tǒng)函數(shù)只是z-1有理多式，即分母系數(shù)ak都為零。長度為N的FIR濾波器系統(tǒng)函數(shù)可表示為： （式2.3）由式2.3得出其表示輸入輸出關(guān)系的常系數(shù)線性差分方程為: （式2.4）式2.4可以認(rèn)為是x(n)與單位脈沖響應(yīng)h(n)的直接卷積。式2.3可以看出FIR濾波器系統(tǒng)函數(shù)在z平面上有N-1個零點(diǎn)，在z=0處有N-1階極點(diǎn)，這與IIR濾波器零極點(diǎn)分布有很大的不同。FIR濾波器的最主要特性之一是它可以在幅度特性任意設(shè)計(jì)的同時，滿足嚴(yán)格的線性相位，同時保證穩(wěn)定性。相比，IIR濾波器很

22、難產(chǎn)生線性相位。所謂線性相位特性，是指濾波器對不同頻率的正弦信號所產(chǎn)生的相移與正弦信號的頻率成直線關(guān)系。因此，信號通過濾波器后，除了由相頻特性的斜率決定的延遲外，可以不失真地保留通帶以內(nèi)的全部信號。這一特性使FIR濾波器在某些需要線性相位的數(shù)據(jù)通信、語音信號處理、圖像處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。2.2 FIR數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu)FIR濾波器有直接型、級聯(lián)型、頻率抽樣型和快速卷積型等基本結(jié)構(gòu)。其中直接型簡單直觀，系數(shù)調(diào)整方便，是最常見的結(jié)構(gòu)。直接型結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。 圖2.1 FIR濾波器直接型結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)也稱為卷積型結(jié)構(gòu)，或稱橫向?yàn)V波器結(jié)構(gòu)。由圖2.1可知，y(n)是由輸入x(n)延時鏈加權(quán)求

23、和構(gòu)成，加權(quán)系數(shù)是由單位沖激響應(yīng)h(n)決定的。在這種結(jié)構(gòu)中，也存在缺點(diǎn)。每一個h(n)的變化都將導(dǎo)致系統(tǒng)零點(diǎn)的變化，從而改變系統(tǒng)特性，對零點(diǎn)控制就不方便。級聯(lián)型結(jié)構(gòu)能彌補(bǔ)這個缺點(diǎn)，它的結(jié)構(gòu)特性使其能準(zhǔn)確控制零點(diǎn)。2.3 線性相位FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)大多數(shù)FIR濾波器的應(yīng)用，都需要它能滿足線性相位。如果FIR濾波器的單位沖激響應(yīng)h(n)為實(shí)數(shù)，且滿足以下兩個條件之一：偶對稱 h(n)=h(N-1-n)；奇對稱 h(n)=-h(N-1-n)，那么該FIR濾波器一定具有線性相位。圖2.2是當(dāng)N為偶數(shù)的偶對稱線性相位FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)，本FIR濾波器設(shè)計(jì)也屬于種類型。根據(jù)該類型其幅度特性可知，

24、適合設(shè)計(jì)低通濾波器，不適合設(shè)計(jì)高通和帶阻濾波器。故本FIR濾波器設(shè)計(jì)屬于低通濾波器設(shè)計(jì)。 圖2.2 N為偶數(shù)的偶對稱線性相位FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)2.4 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法FIR濾波器設(shè)計(jì)的本質(zhì)問題是要使所設(shè)計(jì)的FIR濾波器的頻率響應(yīng)逼近所要求的理想濾波器的頻率響應(yīng)。其有兩種常用的設(shè)計(jì)方法：窗函數(shù)法和頻率采樣法。本設(shè)計(jì)采用的是窗函數(shù)法。 窗函數(shù)設(shè)計(jì)法的出發(fā)點(diǎn)是從時域出發(fā)，用窗函數(shù)截取具有理想頻率特性的濾波器的單位沖激響應(yīng)來得到，以有限長近似理想的，從而使頻率響應(yīng)逼近理想的頻率響應(yīng)。理想的頻率響應(yīng)逆傅里葉變換得到： （式2.5）由于的無限長，所以要對其加窗限制即將與窗函數(shù)序列相乘，以得到

25、有限長的單位沖激響應(yīng)為： （式2.6）FIR濾波器設(shè)計(jì)常用的窗函數(shù)有：矩形窗函數(shù)、三角形窗函數(shù)、漢寧窗函數(shù)、海明窗函數(shù)、和布拉克曼窗函數(shù)等。具體參數(shù)指標(biāo)可參看表2.1。一般希望窗函數(shù)的頻譜滿足以下兩項(xiàng)要求：主瓣盡可能窄，以獲得較陡的過渡帶。最大的副瓣相對于主瓣盡可能地小，即能量集中在主瓣中。這樣就可以減少肩峰和余振，表2.1 5種窗函數(shù)基本參數(shù)的比較窗函數(shù)類型主瓣寬度/dB旁瓣峰值/dB過渡帶寬/rad阻帶最小衰減/dB矩形窗-1321三角形窗-2525 漢寧窗-3144海明窗 -4153布萊克曼窗-5774提高阻帶的衰減。但是這兩項(xiàng)要求不可能同時得到最佳滿足，常用的窗函數(shù)是在這兩者之間取得適

26、當(dāng)?shù)恼壑?，往往需要增加主瓣寬度以換取副瓣的抑制，表2.1很好的體現(xiàn)這一點(diǎn)，主瓣寬度與旁瓣峰值的大小成正比。本FIR濾波器設(shè)計(jì)選擇布萊克曼窗，大幅度地抑制副瓣。3 IIR數(shù)字濾波器簡介3.1 IIR數(shù)字濾波器的原理IIR數(shù)字濾波器，顧名思義，其單位沖激響應(yīng)是無限長的，故可推測其系統(tǒng)函數(shù)H(z) 是z-1有理分式，可表示為： （式3.1）式3.1可得出其差分方程可表示為： （式3.2）式3.1中至少有一個ak不為零,若全為零則是FIR濾波器。系統(tǒng)函數(shù)H(z)在有限長Z平面（0<|Z|<)有極點(diǎn)存在，且全部極點(diǎn)位于單位園內(nèi)，以保證IIR濾波器穩(wěn)定。3.2 IIR數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu)IIR

27、濾波器結(jié)構(gòu)上存在輸出到輸入的反饋，是遞歸型的，與FIR濾波器非遞歸型的結(jié)構(gòu)不同。IIR濾波的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有直接型、級聯(lián)型和并聯(lián)型三種。其中直接型又可分為直接I型和直接II型。直接I型和直接II型結(jié)構(gòu)，簡單直觀，是比較常用的結(jié)構(gòu)。圖3.1和圖3.2分別表示直接I型和直接II型結(jié)構(gòu)。圖3.1 直接I型結(jié)構(gòu)圖3.1可以看出，直接I型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)函數(shù)H(z)也可以看作兩個互相獨(dú)立的子系統(tǒng)函數(shù)相乘。對于一個線性非移變系統(tǒng)，若交換級聯(lián)子系統(tǒng)的次序，總系統(tǒng)函數(shù)不變，即總的輸入與輸出之間的關(guān)系不變。若M=N，交換直接型結(jié)構(gòu)中兩個子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，將相同的延時鏈合并，就得到直接II型結(jié)構(gòu)。比較圖3.1和圖3.2可知，直

28、接II型相比直接I型結(jié)構(gòu)來說，所用延時單元更少，用硬件實(shí)現(xiàn)時可以節(jié)省移位寄存器，比直接I型經(jīng)濟(jì)；若用軟件實(shí)現(xiàn)則可以節(jié)省存儲單元。雖然直接II型相比于直接I型結(jié)構(gòu)有上述優(yōu)點(diǎn)，但不管是直接I型還是直接II型都存在一些共同的缺點(diǎn)，那就是對于高階系圖3.2 直接II型結(jié)構(gòu)統(tǒng)而言，直接型結(jié)構(gòu)存在零點(diǎn)和極點(diǎn)調(diào)整困難的缺點(diǎn)，還存在極點(diǎn)位置靈敏度大，對系數(shù)量化效應(yīng)敏感等缺點(diǎn)。級聯(lián)型和并聯(lián)型結(jié)構(gòu)能單獨(dú)調(diào)整零極點(diǎn)位置，但并聯(lián)型對于零點(diǎn)的調(diào)整不如級聯(lián)型方便。3.3 IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法IIR濾波器設(shè)計(jì)相比于FIR濾波器設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于，它可以利用模擬濾波器成熟的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，因而保留了一些典型模擬濾波器優(yōu)良

29、的幅度特性。但I(xiàn)IR濾波器有一個明顯的缺點(diǎn)，就是相位特性不好控制，如果需要線性相位特性，必須用全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行復(fù)雜的相位校正1。IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法主要是將模擬濾波器按一定規(guī)則映射成數(shù)字濾波器。為了利用模擬濾波器設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器，必須先設(shè)計(jì)一個滿足技術(shù)指標(biāo)的模擬濾波器原型。常用的模擬低通濾波器原型有巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、橢圓濾波器等。巴特沃斯低通濾波器的幅頻特性隨頻率的增加而單調(diào)下降。當(dāng)階數(shù)較小時，過渡帶下降較慢，要想使其幅頻特性接近理想低通濾波器，就必須增加濾波器的階數(shù)。濾波器階數(shù)增加意味著濾波器復(fù)雜度的增加。由于巴特沃斯濾波器的頻率特性曲線無論在通帶和阻帶都是頻率的單調(diào)函數(shù)

30、。因此當(dāng)通帶邊界處滿足指標(biāo)要求式，阻帶內(nèi)肯定會有裕量。一種更有效的設(shè)計(jì)方法應(yīng)該是將精確度均勻地分布在整個通帶內(nèi)，或均勻地分布在整個阻帶內(nèi)，或同時分布在兩者之中，這樣就能用較低的階數(shù)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求2。切比雪夫?yàn)V波器和橢圓濾波器的幅頻特性都具有這種等波紋特性。切比雪夫?yàn)V波器幅頻特性只是在通帶內(nèi)是等波紋的，在阻帶內(nèi)是單調(diào)的，稱為切比雪夫I型濾波器，或者在阻帶內(nèi)是等波紋的，在通帶內(nèi)是單調(diào)的，稱為切比雪夫II濾波器，然而橢圓濾波器在通帶和阻帶內(nèi)都具有等波紋幅頻響應(yīng)特性。因此，用橢圓濾波器來實(shí)現(xiàn)相同性能的濾波器時，所需的階數(shù)更低，性能更好。由此，本IIR濾波器設(shè)計(jì)采用橢圓濾波器原型。為了使得數(shù)字濾波器與

31、模擬濾波器頻率特性之間有某種相似性，并且是一種因果穩(wěn)定的映射，這種由S平面到Z平面的映射，應(yīng)當(dāng)滿足以下兩條：第一，S平面的虛軸j必須映射為Z平面的單位圓；第二，S平面的左半平面必須映射為Z平面的單位圓內(nèi)2。滿足以上兩條常用的映射方法有：沖激響應(yīng)不變法和雙線性變換法。沖激響應(yīng)不變法的映射關(guān)系可表示為： （式3.3）設(shè)模擬系統(tǒng)函數(shù)的全部極點(diǎn)sk是單階的，且分母的階數(shù)高于分子的階數(shù)，則系統(tǒng)函數(shù)可表達(dá)為部分分式形勢： （式3.4）沖激響應(yīng)不變法得到的數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)可表示為： （式3.5）用沖激響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器會產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象，使數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)偏離模擬濾波器的頻率響應(yīng)。如果不考慮頻譜

32、混疊現(xiàn)象，則這種方法設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器會很好的重現(xiàn)原模擬濾波器的頻率特性。 雙線性變換法的映射關(guān)系可表示為： （式3.6）式3.6中常數(shù)c的選擇可以使模擬濾波器的頻響特性和數(shù)字濾波器的頻響特性在不同的頻率范圍有某種對應(yīng)的關(guān)系，起到調(diào)節(jié)兩者頻帶間關(guān)系的作用。用雙線性變換法將模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)的變換公式可表示為： （式3.7）采用雙線性變換法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器可以很好地消除頻譜混疊現(xiàn)象。故本設(shè)計(jì)采用雙線性變換法。 4 MATLAB程序設(shè)計(jì)4.1 MATLAB簡介MATLAB是由美國MathWorks公司開發(fā)的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，與Mathematica、Maple、MathCAD

33、并稱為四大數(shù)學(xué)軟件。MATLAB是一款主要用于科學(xué)計(jì)算及程序設(shè)計(jì)的可視化高性能軟件。它集數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化和圖形顯示等強(qiáng)大功能于一體，構(gòu)成了一個界面友好的用戶環(huán)境10。MATLAB取名源于矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory），意為以矩陣形勢處理數(shù)據(jù)。MATLAB主要包括五大基本組成部分：開發(fā)環(huán)境、MATLAB語言、繪圖功能、MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫、MATLAB應(yīng)用程序接口11。MATLAB的優(yōu)勢在于：編程環(huán)境、簡單易用、強(qiáng)處理能力、圖形處理、程序接口和應(yīng)用軟件開發(fā)等。MATLAB的功能組成和優(yōu)勢使其在數(shù)值分析、工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理、通訊系

34、統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。MATLAB為很多專門的領(lǐng)域和學(xué)科開發(fā)了功能強(qiáng)大的工具箱（Toolbox），用戶可以直接調(diào)用工具箱函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，工具箱涉及的領(lǐng)域包括：信號處理、圖像處理、控制系統(tǒng)、概率統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)辨識、優(yōu)化算法等12。本設(shè)計(jì)利用其中的信號處理工具箱。MATLAB中的信號處理工具箱提供了豐富的數(shù)字信號處理函數(shù)，比如窗函數(shù)、濾波器分析函數(shù)、濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)、信號變換函數(shù)等，對于數(shù)字信號處理的應(yīng)用有很大的幫助。4.2 FIR濾波器設(shè)計(jì)利用MATLAB設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器有兩種方法：一種是調(diào)用濾波器函數(shù)編寫程序；另一種是使用交互式FDATool或者SPTool工具設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用第一種方法。數(shù)

35、字濾波器的設(shè)計(jì)一般給出的是模擬域技術(shù)指標(biāo)，必須將他們轉(zhuǎn)換成數(shù)字域技術(shù)指標(biāo)。轉(zhuǎn)換公式如下： （式4.1）式4.1中，是模擬域頻率，是采樣頻率，是數(shù)字域頻率。 本FIR濾波器設(shè)計(jì)中，采樣頻率=135KHz，模擬域截止頻率=9KHz，要求線性相位，濾波器階數(shù)為17階。根據(jù)式4.1可得數(shù)字域截止頻率為： （式4.2）本設(shè)計(jì)采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器，在MATLAB中，幾種常用的窗函數(shù)的計(jì)算公式如表4.1所示。計(jì)算公式中N代表窗函數(shù)的長度，返回的變量w是一個長度為N的列向量，表示N點(diǎn)窗函數(shù)w(n)。在MATLAB中，函數(shù)fir1可以用于窗函數(shù)法設(shè)計(jì)表4.1 幾種常用窗函數(shù)的計(jì)算公式窗函數(shù)類別計(jì)算公式矩

36、形窗w=rectwin(N)三角形窗w=bartkett(N)海明窗w=hamming(N)漢寧窗w=hann(N)布萊克曼窗w=Blackman(N)FIR濾波器。其調(diào)用格式有四種：b=fir1(N,wn)；b=fir1(N,wn,window)；b=fir1(N,wn,ftype)；b=fir1(N,wn, ftype,window)。其中N表示濾波器的階數(shù)，wn是截止頻率，取值在0到1之間，它是以采樣頻率的一半為基準(zhǔn)頻率的歸一化值，1對應(yīng)采樣頻率的一半，b為濾波器的系數(shù)向量h(n)（按降冪排列），window用于指定窗函數(shù)種類，缺省為海明窗，窗函數(shù)的長度為N+1。參數(shù)ftype用于設(shè)計(jì)高

37、通、帶通和帶阻濾波器，缺省為設(shè)計(jì)低通濾波器。本設(shè)計(jì)中，所需FIR濾波器階數(shù)為17階，那么窗函數(shù)的長度為18，調(diào)用窗函數(shù)和fir1函數(shù)時，應(yīng)注意N的值。FIR濾波器MATLAB設(shè)計(jì)程序如下：N1=18;N2=18;N3=18;w1=blackman(N1);w3=rectwin(N3);b1=fir1(N1-1,2/15,w1);b2=fir1(N2-1,2/15);b3=fir1(N3-1,2/15,w3);b0=a2dt(b1,16);disp(b0);h1,omega1=freqz(b1,1,512);h2,omega2=freqz(b2,1,512);h3,omega3=freqz(b3

38、,1,512);h0,omega0=freqz(b0,1,512);plot(omega1/pi,20*log10(abs(h1),'b',omega2/pi,20*log10(abs(h2),'b:',omega3/pi,20*log10(abs(h3),'b-');grid on;xlabel('歸一化頻率');ylabel('增益/dB');axis(0 1 -120 2);legend('布拉格曼窗','海明窗','矩形窗');figure;plot(omeg

39、a1/pi,20*log10(abs(h1),'b',omega0/pi,20*log10(abs(h0),'b:');grid on;hold on;xlabel('歸一化頻率');ylabel('增益/dB');axis(0 1 -120 2);legend('布拉格曼窗原始','布拉格曼窗量化后');disp('h1(n)=');disp(b1);for i=1:18 a=dectobin(b1(i),16); num=0; for k=1:16 num=a(k).*2.(-k

40、)+num; end; disp(a); disp(num);end上述程序調(diào)用了三種窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器，其所得幅頻特性如圖4.1所示。由圖4.1可知，使用布拉格曼窗時，副瓣峰值明顯比海明窗和矩形窗的小，很好地抑制了副瓣，符合預(yù)期要求。上述程序還實(shí)現(xiàn)了系數(shù)量化和量化前后濾波器幅頻特性比較，其中調(diào)用了自己編寫a2dt和dectobin函數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)系數(shù)量化，a2dt和dectobin程序不在這列出。由于濾波器的所有系數(shù)都必須以有限長度的二進(jìn)制碼形式存放到存儲器中，所以實(shí)際系統(tǒng)與理想系統(tǒng)之間存在誤差，從而導(dǎo)致濾波器零極點(diǎn)位置發(fā)生偏離，進(jìn)而影響到濾波器的性能。故濾波器系數(shù)合理的量化，對數(shù)字濾波器

41、的設(shè)計(jì)特別關(guān)鍵。圖4.1 三種窗函數(shù)實(shí)現(xiàn)的FIR濾波器幅頻特性圖4.2和圖4.3分別是使用15位和16位二進(jìn)制系數(shù)量化前后的幅頻特性。比較圖4.2和4.3可知，使用15位二進(jìn)制系數(shù)量化前后的幅頻特性差異很大，使用16位二進(jìn)圖4.2 15位二進(jìn)制系數(shù)量化前后的幅頻特性制系數(shù)量化前后的幅頻特性差異很小，量化前后幅頻特性曲線幾乎重合，故采用16位二進(jìn)制系數(shù)量化。圖4.3 16位二進(jìn)制系數(shù)量化前后的幅頻特性16位二進(jìn)制系數(shù)量化結(jié)果如表4.1所示。表4.1中數(shù)據(jù)，滿足線性相位的要求。表4.2 16位二進(jìn)制系數(shù)量化結(jié)果h(n)原始數(shù)據(jù)16位二進(jìn)制h(0)、h(17)0000h(1)、h(16)0.0000

42、000h(2)、h(15)0.0015001h(3)、h(14)0.0082011h(4)、h(13)0.0255000h(5)、h(12)0.0568011h(6)、h(11)0.0991110h(7)、h(10)0.1412011h(8)、h(9)0.16771104.3 IIR濾波器設(shè)計(jì)用MATLAB進(jìn)行IIR濾波器設(shè)計(jì)有兩種方法，第一種是直接調(diào)用數(shù)字濾波器函數(shù)設(shè)計(jì)，第二種是調(diào)用模擬濾波器函數(shù)設(shè)計(jì)模擬濾波器，再調(diào)用沖激響應(yīng)不變法或雙線性變換法映射函數(shù)，轉(zhuǎn)變成數(shù)字濾波器。兩者方法的不同在于第一種只采用雙線性變換法，而第二種沖激不變法和雙線性變換法都適用。本設(shè)計(jì)采用的是雙線性變換法，故使用第

43、二種方法。MATLAB中IIR數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)通常包含兩個步驟，一是根據(jù)技術(shù)指標(biāo)確定濾波器階次N和截止頻率縮放因子wn，二是確定傳輸函數(shù)的系數(shù)。MATLAB信號處理工具箱中提供了常用的設(shè)計(jì)IIR濾波器的函數(shù)，可以方便地調(diào)用這些函數(shù)來完成濾波器的設(shè)計(jì)，比如buttord，cheb1ord，cheb2ord，ellipord函數(shù)，他們分別對應(yīng)于數(shù)字巴特沃斯濾波器、數(shù)字切比雪夫I型濾波器、數(shù)字切比雪夫II型濾波器和數(shù)字橢圓濾波器階次N和截止頻率縮放因子wn的確定，調(diào)用格式如表4.3所示。表4.3中，wp和ws分別對應(yīng)通帶截止頻率和阻帶起始頻率，單位為rad，表4.3 4種IIR濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)調(diào)用格式I

44、IR濾波器種類調(diào)用格式巴特沃斯N,wn=buttord(wp,ws,Rp,Rs)切比雪夫I型N,wn=cheb1ord(wp,ws,Rp,Rs)切比雪夫II型N,wn=cheb2ord(wp,ws,Rp,Rs)橢圓N,wn=ellipord(wp,ws,Rp,Rs)Rp和Rs分別對應(yīng)通帶最大衰減和阻帶最小衰減，單位為dB。MATLAB信號處理工具箱中的函數(shù)butter，cheby1，cheby2，ellip用于確定巴特沃斯濾波器、切比雪夫I型濾波器、切比雪夫II型濾波器和橢圓濾波器傳輸函數(shù)的系數(shù)，調(diào)用格式如表4.4所示。表4.4中B是濾波器系統(tǒng)函數(shù)的分子多項(xiàng)式系數(shù)， 表4.4 4種濾波器傳輸函

45、數(shù)系數(shù)計(jì)算函數(shù)濾波器種類調(diào)用格式巴特沃斯B,A=butter(N,wn,ftype)切比雪夫I型B,A=cheby1(N,Rp,wn,ftype)切比雪夫II型B,A=cheby2(N,Rp,wn,ftype)橢圓B,A=ellip(N,Rp,Rs,wn,ftype)A是數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)的分母多項(xiàng)式系數(shù)，ftype用于指定濾波器類型，缺省為低通。在以上的調(diào)用中，加上參數(shù)s，完成的是相應(yīng)模擬濾波器設(shè)計(jì)。本IIR濾波器設(shè)計(jì)中，采樣頻率fs=135KHz，其模擬域技術(shù)指標(biāo)為通帶截止頻率fp=20.25KHz，阻帶起始頻率fs=33.75KHz，通帶最大衰減小于等于1dB，阻帶最小衰減大于等于30d

46、B。其MATLAB設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)程序如下：wp=2*pi*20.25/135/pi;disp(wp);ws=2*pi*33.75/135/pi;disp(ws);ap=1;as=30;w=linspace(0,0.9*pi,200);n,wc=ellipord(wp,ws,ap,as);b,a=ellip(n,ap,as,wc);n1,wc1=buttord(wp,ws,ap,as);b1,a1=butter(n1,wc1);n2,wc2=cheb1ord(wp,ws,ap,as);b2,a2=cheby1(n2,ap,wc2);bt=a2dt(b,6);disp(bt);at=a2dt(a,6);

47、disp(at);h=freqz(b,a,w);h1=freqz(b1,a1,w);h2=freqz(b2,a2,w);h0=freqz(bt,at,w);disp('n=');disp(n);disp('wc=');disp(wc);disp('b=');disp(b);disp('a=');disp(a);disp('n1=');disp(n1);disp('wc1=');disp(wc1);disp('b1=');disp(b1);disp('a1=');dis

48、p(a1);disp('n2=');disp(n2);disp('wc2=');disp(wc2);disp('b2=');disp(b2);disp('a2=');disp(a2);plot(w/pi,abs(h),'b',w/pi,abs(h1),'b:',w/pi,abs(h2),'b-');grid on;axis(0 0.9 0 1.01);legend('橢圓','巴特沃斯','切比雪夫');figure;plot(w/pi

49、,abs(h),'b',w/pi,abs(h0),'b:');legend('橢圓型原始','橢圓型量化后');grid on;figure;zplane(b,a);grid on;title('橢圓型原始零極點(diǎn)分布');legend('零點(diǎn)','極點(diǎn)');figure;zplane(bt,at);grid on;title('橢圓型量化后零極點(diǎn)分布');legend('零點(diǎn)','極點(diǎn)');for i=1:4 z1=dectobin(b

50、(i),6); disp(z1);endy0=(a(1)-1) (-a(2)-1) (a(3)-1) (-a(4);for i1=1:4 y2=dectobin(y0(i1),6); disp(y2);end上述程序設(shè)計(jì)了三種數(shù)字濾波器，分別是橢圓、巴特沃斯和切比雪夫數(shù)字濾波器，其幅頻特性如圖4.4所示。由圖4.4和程序運(yùn)行結(jié)果可知，巴特沃斯濾波器階數(shù)N=7，切比雪夫?yàn)V波器階數(shù)N=4，而橢圓濾波器階數(shù)最小（N=3），再比較幅頻特性，巴特沃斯濾波器過渡帶特性最差，而橢圓濾波器，過渡帶較陡，幅頻特性較好。綜上兩點(diǎn)，選擇設(shè)計(jì)橢圓數(shù)字濾波器。 圖4.4 三種數(shù)字濾波器幅頻特性比較上述程序還實(shí)現(xiàn)了橢圓數(shù)

51、字濾波器系數(shù)量化和量化前后濾波器幅頻特性和零極點(diǎn)分布比較，其中調(diào)用了用戶編寫的a2dt和dectobin函數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)系數(shù)量化，a2dt和dectobin程序不在這列出。 圖4.5和圖4.6分別是使用5位和6位二進(jìn)制系數(shù)量化前后的幅頻特性。圖4.7和圖4.8分別是6位二進(jìn)制系數(shù)量化前和量化后零極點(diǎn)分布。比較圖4.5和4.6可知，使用5 圖4.5 5位二進(jìn)制系數(shù)量化前后的幅頻特性圖4.6 6位二進(jìn)制系數(shù)量化前后的幅頻特性位二進(jìn)制系數(shù)量化前后幅頻特性相差很大，使用6位二進(jìn)制系數(shù)量化前后幅頻特性相差很小，兩者曲線幾乎重合。比較圖4.7和4.8可知，使用6位二進(jìn)制系數(shù)量化前后零極點(diǎn)分布相差很小。綜上兩

52、點(diǎn)，故采用6位二進(jìn)制系數(shù)量化。圖4.7 6位二進(jìn)制系數(shù)量化前零極點(diǎn)分布圖4.8 6位二進(jìn)制系數(shù)量化后零極點(diǎn)分布表4.5是6位二進(jìn)制系數(shù)量化結(jié)果。表4.5中，某些數(shù)據(jù)是負(fù)數(shù)，在此只取其大小進(jìn)行量化。表4.5 6位二進(jìn)制系數(shù)量化結(jié)果分母多項(xiàng)式系數(shù)b(n)六位二進(jìn)制分子多項(xiàng)式系數(shù)a(n)六位二進(jìn)制b(0)=0.0798a(0)=1.0000b(1)=0.0791a(1)=1.5558b(2)=0.0791a(2)=1.2720b(3)=0.0798a(3)=0.39835 VHDL程序設(shè)計(jì)5.1 VHDL語言簡介VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hard

53、ware Description Language）意為超高速集成電路硬件描述語言，起初是由美國國防部開發(fā)并使用，后來由IEEE進(jìn)一步發(fā)展完善并作為IEEE標(biāo)準(zhǔn)13。從此，VHDL成為標(biāo)準(zhǔn)的硬件的描述語言，推動了電子技術(shù)的飛速發(fā)展，是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要硬件描述語言，在EDA領(lǐng)域扮演著重要的角色。各大EDA公司和EDA領(lǐng)域的技術(shù)人員都將其作為重要的發(fā)展目標(biāo)。VHDL語言能成為標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言并得到廣泛的使用，它自身必然具有其他硬件描述語言所不具備的優(yōu)點(diǎn)。VHDL語言具有設(shè)計(jì)方法靈活多樣、強(qiáng)大的硬件描述能力、很強(qiáng)的移植能力、設(shè)計(jì)描述與器件無關(guān)、易于共享和復(fù)用等優(yōu)點(diǎn) 14。VHDL在對硬件電路描述

54、的過程中應(yīng)該遵循一定的流程。采用VHDL語言進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)的開發(fā)步驟主要包括確定總體設(shè)計(jì)方案、確定電路具體功能、劃分模塊并編寫程序、仿真、綜合、優(yōu)化、布局布線、生成下載文件、下載運(yùn)行等 15。在具體步驟施行的時候，可能出現(xiàn)很多問題，比如程序結(jié)構(gòu)不合理、綜合錯誤、仿真結(jié)果不理想、硬件運(yùn)行結(jié)果不理想、下載不成功等。這些都要求設(shè)計(jì)人員有著很強(qiáng)的問題分析解決總結(jié)能力，對VHDL語言有很深的理解，且擁有一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。本設(shè)計(jì)中，主要利用VHDL語言設(shè)計(jì)有限狀態(tài)機(jī)。有限狀態(tài)機(jī)（Finite State Machine，簡稱FSM）及其設(shè)計(jì)技術(shù)是實(shí)用數(shù)字系統(tǒng)中的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)高效率高可靠邏輯控制的

55、重要途徑。用VHDL語言可以設(shè)計(jì)不同表達(dá)方式和不同實(shí)用功能的狀態(tài)機(jī)。利用VHDL設(shè)計(jì)的邏輯系統(tǒng)中，有許多是可以利用有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方案來描述和實(shí)現(xiàn)的。相比于同樣基于VHDL的其他設(shè)計(jì)方案，使用有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法有很多優(yōu)點(diǎn)，比如順序控制靈活且性能優(yōu)越；結(jié)構(gòu)相對簡單，設(shè)計(jì)方案相對固定；構(gòu)建性能良好的同步時序邏輯模塊，能很好地解決競爭冒險現(xiàn)象；高可靠邏輯控制等。描述狀態(tài)機(jī)常用的方法有狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移表兩種。本設(shè)計(jì)采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。5.2 DA電路配置本設(shè)計(jì)是基于spartan-3e開發(fā)板。該開發(fā)板包括一個兼容SPI，4通道，串行數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。該DA電路器件是個線性工藝12位的LTC2624。4個

56、輸出連到J5接頭（使用Digilent 6管腳的外設(shè)模數(shù)格式）。 圖5.1是DA電路詳圖。由圖5.1可知，F(xiàn)PGA通過SPI與DA電路的輸出通道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。SPI總線是全雙工、同步、定向通道（采用簡單的4線接口）。圖5.1 DA電路詳圖如圖5.1所示，每個DA電路輸出電平與無符號的12位二進(jìn)制數(shù)相對應(yīng)。電壓的輸出見式5.1。參考電壓VREFERENCE在4個輸出通道之間有所差異。通道A和通道B的參考電壓是3.3V，通道C和通道D是2.5V。參考電壓本身有±5的波動，所以輸出電壓會有相應(yīng)的輕微波動。 （式5.1）圖5.2是SPI與DA電路通信時序圖。每位的傳輸與接收均相對于SPI_SCK時鐘圖5.2 SPI與DA電路通信時序圖信號?？偩€完全是靜態(tài)的，并支持最高的50MHz。當(dāng)從片選信號DAC_CS置低后，F(xiàn)PGA傳送數(shù)據(jù)SPI_M