FPGA实现的低成本虚拟测量系统设计

"这篇硕士论文来自西安电子科技大学，主要探讨了如何基于FPGA技术实现一个低成本的虚拟测量系统，该系统适用于低端市场、教学实验室以及便携式测量需求。系统包含了两路独立信号源、虚拟存储示波器和16通道高速虚拟逻辑分析仪。论文详细介绍了设计过程，包括利用FPGA资源结构、高速DAC/ADC设计，并采用降速缓存等技术，以及通过Quartus等开发工具实现各单元功能。此外，系统还通过USB2.0接口与上位机通信，实现实时控制和数据交换。设计中提出了创新的DDS实现方法、非对称FIFO设计以及SOPC系统实现的命令字解析和数据传输控制策略。该虚拟测量系统能够产生和分析多种波形，适合于教学和低要求的测试环境。" 本文重点在于基于FPGA的虚拟测量系统设计，主要知识点包括： 1. **FPGA技术**：FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，允许用户根据需求配置其内部逻辑结构，适用于定制化硬件加速和高效能计算。 2. **低成本虚拟测量系统**：针对低端市场和教学实验室，设计了一个单板单主控芯片的系统，降低了成本，提高了便携性和实用性。 3. **信号源设计**：系统包含两路独立信号源，能实时产生预设波形，满足不同测试需求。 4. **虚拟存储示波器**：利用FPGA实现示波器功能，可以捕获、存储和分析信号，用于观察和分析电信号的变化。 5. **高速虚拟逻辑分析仪**：具备16通道高速采集能力，可以监测和分析多个数字信号，对于电路设计和故障排查具有重要作用。 6. **高速DAC/ADC设计**：数字化模拟转换（DAC）和模拟数字化转换（ADC）是虚拟测量系统的关键，论文中讨论了如何设计高速转换器以提高系统的精度和实时性。 7. **降速缓存技术**：通过缓存技术降低数据处理速度，平衡系统性能和功耗。 8. **Quartus开发工具**：Altera公司的集成开发环境，用于FPGA设计、仿真和编程。 9. **USB2.0接口**：作为系统与上位机之间的通信桥梁，实现数据传输和实时控制。 10. **上位机应用软件**：配合硬件实现控制和数据显示，提供用户友好的界面。 11. **非对称FIFO设计**：针对读写位宽不同的情况，设计了一种优化的FIFO（First-In-First-Out）缓冲区，提高了数据处理效率。 12. **DDS实现方法**：直接数字频率合成技术，通过改进降低了资源消耗，提高了频率生成的灵活性。 13. **SOPC系统**：系统级可编程片上系统，用于解析命令字和控制数据传输，简化了系统架构。 14. **教学应用**：该系统适合于电子工程教学，提供实践平台，帮助学生理解和掌握电子测量原理。 15. **低要求测试**：在有PC机的环境中，该系统能够满足基本的电子测量需求，适用于各种低复杂度的测试场景。 通过这些关键技术的综合运用，该论文展示了一个完整的基于FPGA的虚拟测量系统设计流程，对于理解和应用FPGA技术在电子测量领域的实践具有重要的参考价值。