[发明专利]基于FPGA的示波功率仪采集系统

权利要求书

1.一种基于FPGA的示波功率仪采集系统，其特征在于包括比较器模块，ADC模块，FFT运算模块，参考时钟选择模块，滤毛刺模块，频率测量模块和上位机，其中FFT运算模块，参考时钟选择模块，滤毛刺模块和频率测量模块在FPGA中实现，其中：

比较器模块用于对经过交流耦合后的输入信号进行过0比较，得到与输入信号同频同相的矩形波信号CARD_CNV，并将矩形波信号CARD_CNV输出至滤毛刺模块；

ADC模块用于对同一输入信号进行采集，将采集得到的包含N个采样点的采集数据序列ADC_DATA发送至抽点模块、触发模块、定频采样模块和同步采样模块10，ADC的采样率f_s由输入ADC的参考时钟ADC_CNV频率决定，即f_s＝f_{ADC_CNV}；

抽点模块根据上位机发送的抽点系数对采样序列ADC_DATA进行抽点，将抽点后的序列DATA_IN发送至定频采样模块；

触发模块对采样序列ADC_DATA进行检测，当检测到有效触发到来时，触发模块输出持续一个系统时钟的高电平的触发信号Trig至定频采样模块和同步采样模块，要求触发信号Trig有效时与有效触发点在DATA_IN序列中所在位置对齐；

定频采样模块用于缓存由抽点模块发送的波形数据，当一帧波形采集完成后输出定频采样数据存满标识Full_2＝1至数据选择模块；

基波频率测量模块用于对输入信号的基波频率进行精准测量并发送给倍频模块和上位机模块；基波频率测量模块包括FFT运算模块、参考时钟选择模块、滤毛刺模块和频率测量模块，其中：FFT运算模块采用FFT分析法初步确定输入信号的频率，具体方法为：将接收到的采集数据序列ADC_DATA进行FFT运算，输出N点的频谱序列，记每一点的频谱包括实部Re[k]和虚部Im[k]两部分，k＝1,2,…,N，采用如下公式计算得到k点处的频率能量X[k]：

找出频率能量X[k]的最大值和其对应的点序号k_max，将点序号k_max发送给参考时钟选择模块；

参考时钟选择模块用于选择一个参考时钟clk_fre作为滤毛刺模块中滤除毛刺成分的时钟源，其中参考时钟clk_fre的频率f_ref以及对应的掩码值m需要满足的条件为f₁表示基波频率，f₂表示二次谐波频率，Δf表示频率分辨率，Δf＝f_s/N；

滤毛刺模块用于根据掩码值m和参考时钟clk_fre将矩形波信号CARD_CNV中的毛刺滤除，得到矩形波信号CARD_FREQ并发送至频率测量模块；

频率测量模块用于基于测频法或测周法对矩形波信号CARD_FREQ进行测量，将输入信号中基波的精准频率fre₁发送至倍频模同步块和上位机模块；

倍频模块对基波频率fre₁进行M倍倍频后输出参考时钟Clock2给时钟选择模块，即时钟Clock2频率f_Clock2＝M×fre₁；

时钟源模块用于输出一个固定频率的参考时钟Clock1给时钟选择模块，其频率f_Clock1即为ADC工作在定频采样模式下的频率；

时钟选择模块用于根据接收到的工作模块指令Mode对输入的时钟信号进行选择，并输出参考时钟信号给ADC模块；当用户选择定频采样模式时，时钟选择模块选择参考时钟Clock1并输出，有f_{ADC_CNV}＝f_Clock1，同时参考时钟Clock1有效标识Clock1_valid＝1，参考时钟Clock2有效标识Clock2_valid＝0；当用户选择同步采样模式时，时钟选择模块首先选择参考时钟Clock1并输出，有f_{ADC_CNV}＝f_Clock1，同时参考时钟Clock1有效标识Clock1_valid＝1，参考时钟Clock2有效标识Clock2_valid＝0，当基波频率测量模块完成频率测量并且倍频模块完成信号倍频并输出参考时钟Clock2时，时钟选择模块选择参考时钟Clock2并输出，有f_{ADC_CNV}＝f_Clock2，同时输出参考时钟Clock1有效标识Clock1_valid＝0，参考时钟Clock2有效标识Clock2_valid＝1至同步采样模块；

同步采样模块用于缓存由ADC模块发送的波形数据，当一帧波形采集完成后输出同步采样数据存满标识Full_2＝1至数据选择模块；

数据选择模块用于根据接收到的定频采样数据存满标识Full_1、同步采样数据存满标识Full_2和工作模式指令Mode对数据序列DATA_1和DATA_2进行选择，并发送至上位机模块；当用户选择定频采样模式时，如果定频采样数据存满标识Full_1＝1，数据选择模块将DATA_1发送至上位机模块，即Dout＝DATA_1；当用户选择同步采样模式时，如果定频采样数据存满标识Full_1＝1时，数据选择模块将DATA_1发送至上位机模块，如果定频同步采样数据存满标识Full_2＝1，数据选择模块将DATA_2发送至上位机模块，即Dout＝DATA_2；

上位机模块用于根据用户选择的工作模式生成工作模式指令Mode发送给时钟选择模块和数据选择模块，并将相应的预触发深度参数发送给定频采样模块和同步采样模块；接收数据选择模块发送的数据Dout和基波频率测量模块发送的基波频率fre₁，进行相应的分析计算，并将波形数据和测频结果发送至显示模块进行显示；

显示模块接收上位机模块发送的波形数据和测频结果并进行显示。