基于Zynq-7000 SoC的低频频谱分析仪设计

发布时间：2022-07-16 16:37

　　频谱分析仪在设备的工作状态检测以及故障排查中起着重要的作用,应用已经遍及工业制造、工程设备、国防建设等领域。市场上绝大一部分的频谱分析仪结构繁杂、成本不菲且可测频率范围在100kHz以上,而针对10kHz频率之下的频谱仪少之又少;并且,低频频谱分析仪排查振动故障需现场测量,应具备便携,高性能等特点。Zynq-7000SoC芯片集FPGA和ARM一体化,方便从软硬件部分来实现整个功能。因此,针对机械振动信号分析、故障诊断的需求,研究了一款基于Zynq-7000 SoC的低频频谱分析仪,可测范围为5Hz-5kHz。整个低频频谱仪设计以ADI公司的AD7606作为低频信号的采集前端,以SDK作为软件平台进行系统驱动软件设计。论文首先介绍了低频频谱仪的研究意义与国内外现状,介绍了Zynq-7000 SoC芯片的异构特性,分析了频谱处理中常见的影响精度的因素,就此提出了基于Zynq-7000 SoC的软硬件协同设计方案以及提高精度的方法。就频谱分析方式详细说明了FFT（Fast Fourier Transformation）算法的原理,根据待测信号选了压电式加速度传感器、AD转换芯片,设计了信号... 

【文章页数】：83 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
    1.1 本课题的研究背景与意义
    1.2 频谱分析仪发展及研究现状
        1.2.1 频谱分析仪国外研究现状
        1.2.2 频谱分析仪国内研究现状
    1.3 Zynq-7000开发平台
    1.4 本论文的结构安排
2 频谱分析理论与方案
    2.1 频谱分析基础
        2.1.1 DFT与 FFT关系
        2.1.2 基-2时域抽样FFT
    2.2 低频频谱分析方案设计
        2.2.1 低频频谱分析问题
        2.2.2 低频频谱分析系统框架设计
    2.3 本章小结
3 低频频谱分析硬件设计
    3.1 信号调理电路设计
        3.1.1 单路滤波电路设计
        3.1.2 增益调整及电压跟随
    3.2 AD控制结构设计
        3.2.1 AD7606芯片控制电路设计
        3.2.2 8通道AD采样测试
        3.2.3 时钟设计
    3.3 数字滤波设计
        3.3.1 FIR滤波器原理及结构
        3.3.2 FIR滤波器实现
    3.4 本章小结
4 频谱分析仪关键技术设计与实现
    4.1 FPGA与 ARM数据交互设计
        4.1.1 AXI-Stream总线协议介绍
        4.1.2 PL与PS间数据传输结构设计
    4.2 RAM重叠帧技术
        4.2.1 重叠帧原理
        4.2.2 重叠帧技术实现
    4.3 傅里叶变换技术实现
        4.3.1 PL端FFT计算
        4.3.2 FFT对比验证
    4.4 PS端SDK任务调度
        4.4.1 DMA数据传输
        4.4.2 以太网数据回读
    4.5 本章小结
5 系统测试
    5.1 硬件平台搭建
    5.2 模拟电路测试
    5.3 数据流处理测试
        5.3.1 AD数据采集测试
        5.3.2 DDR内存读写测试
    5.4 FFT测试分析
6 总结及展望
    6.1 工作总结
    6.2 工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Zynq的以太网-CAN协议转换器设计[J]. 陈文清,张伟民,崔红涛.  洛阳理工学院学报(自然科学版). 2019(02)
[2]海洋二号卫星回波模拟器远程控制的设计[J]. 万鑫瑞.  电子设计工程. 2018(20)
[3]基于Vivado HLS的FFTIP核设计与实现[J]. 张俊涛,付芳琪,曹梦娜.  电子器件. 2016(02)
[4]2015电子测量仪器产品应用情况调查获奖产品展示[J].   国外电子测量技术. 2016(02)
[5]基于FPGA和Matlab的FIR数字滤波器[J]. 曹振吉,何敏.  现代电子技术. 2015(19)
[6]基于Matlab的傅里叶变换性质仿真[J]. 蒋娜.  科技广场. 2015(08)
[7]高速破片参数测试的高频小信号放大电路设计[J]. 李致成,曹勋,张斌,赵冬娥.  电子科学技术. 2015(01)
[8]基于虚拟仪器的电网谐波监测系统设计[J]. 杨奕,沈申生,柳松.  测控技术. 2009(09)
[9]电力系统信号采集与谐波测量方法[J]. 梅永,王柏林.  电测与仪表. 2008(09)
[10]关于电力系统FFT谐波检测存在问题的研究[J]. 郑恩让,杨润贤,高森.  继电器. 2006(18)

硕士论文
[1]基于Zynq的手术导航光学定位关键技术研究[D]. 李春田.华南理工大学 2019
[2]基于ZYNQ的高性能测控终端装置的研发[D]. 周欢.华东交通大学 2018
[3]实时频谱分析仪数字处理前端模块设计[D]. 江易蔚.电子科技大学 2018
[4]基于SoC的通信信号分析仪硬件设计与实现[D]. 郑重.电子科技大学 2018
[5]多通道信号采集传输系统的研究与设计[D]. 黄跃.南京航空航天大学 2018
[6]机械振动测试仪研究与设计[D]. 林杰.大连工业大学 2017
[7]实时频谱仪的数字中频处理设计与实现[D]. 张亚军.电子科技大学 2017
[8]微波实时频谱分析仪射频前端设计与实现[D]. 管飞云.电子科技大学 2017
[9]千兆以太网IEEE 1588协议的实现[D]. 赵东兴.哈尔滨工业大学 2016
[10]基于FPGA的频谱仪数字单元设计与实现[D]. 闫大帅.中国科学院国家空间科学中心 2016



本文编号：3662870