摘 要

在科学研究以及工业生产中，为了实现对模拟量进行快速准确的测量，及时得到所需要的精确参数进行分析处理，一个性能良好的模拟信号检测装置必不可少。本文基于EDA工具软件设计的模拟信号检测系统，采用了最新的FPGA技术，不仅能对模拟信号快速采集并精确显示，而且抗干扰能力强，适用于多种工作场合，有助于当今工业的发展。

本文采用了模块化设计方法，将系统分为计数模块、数据锁存模块、数据处理模块、进制转换模块、译码显示模块等五个主要部分。采用VHDL硬件语言为每个模块编写程序，并通过Quartus II软件编译仿真来验证系统功能。整个系统完全采用数字化流程，相比较于传统方案，具有运作成本低、设计效率高、操作流程简便等优点。

本文提供了一种比较新型的设计方案，并对其未来的发展前景做了展望，对现实当中模拟信号检测系统的设计具有一定的指导意义。

关键词：模拟信号检测；数字系统；VHDL；Quartus II

Abstract

In scientific research and industrial production, in order to achieve a rapid and accurate measurement of the analog, timely and accurate parameters required for analysis and processing, a good performance of the analog signal detection device is essential. Based on EDA tool software design of the analog signal detection system, using the latest FPGA technology, not only can quickly capture and accurate analog signal display, and anti-interference ability, suitable for a variety of work occasions, contribute to the development of today's industry.

In this paper, the modular design method is adopted, which divides the system into five main parts: counting module, data latching module, data processing module, binary conversion module and decoding display module. The program is written for each module in VHDL hardware language and the system functions are verified by Quartus II software compilation simulation. The whole system is completely digital process, compared with the traditional program, with low operating costs, high design efficiency and easy operation process advantages.

This paper provides a relatively new design scheme, and its future development prospects of the future, the reality of the analog signal detection system design has a certain guiding significance.

Key words: analog signal detection; digital system; VHDL; Quartus II

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 研究现状与发展前景 1

1.3 本文研究内容 2

第2章 设计原理与方案选择 4

2.1 检测系统设计方法 4

2.2.1 传统设计方法 4

2.2.2 现代设计方法 5

2.2 方案比较与选择 6

2.3具体设计方案 6

2.3.1 FPGA设计步骤 6

2.3.2 课题设计方案 7

第3章 系统硬件设计 8

3.1 数模转换器 8

3.2 电压比较器 10

3.3 译码显示 11

第4章 软件设计 14

4.1 VHDL语言简介 14

4.2 系统原理框图 14

4.3 八位二进制计数器 15

4.4 数据锁存 16

4.5 数据处理 17

4.6 进制转换 18

4.7 片选信号 19

4.8 小数点控制 19

4.9 译码显示 20

第5章 系统仿真 21

5.1 仿真步骤 21

5.2 仿真结果 23

结束语 25

参考文献 26

致谢 27

附录 28

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

随着科技的进步与发展，电子系统设计方法正在发生重大变化，电子设计自动化（EDA）正是为满足现代电子产品设计的要求，吸收了多学科而形成的最新成果技术^[1]。由于其强大的功能，EDA技术在如今的社会当中应用领域十分广泛，无论是工业生产、科学研究、医疗卫生、航空航天还是电子通信，EDA技术无处不在。为了适应科技的飞速发展，达到“第一时间推出产品”的生产理念，大力发展EDA技术势在必行。我们的课题“模拟信号检测系统设计与仿真”，正是基于EDA技术，利用VHDL硬件描述语言对系统程序进行编写，使整个系统实现数字化检测并自动完成对采集到数据的分析、处理及显示，具有检测速度快、操作简单、精确度高等优点。

模拟信号检测是指在各种类型的生产、研究、检测和服务等领域，为了及时得到被控对象的相关信息而实时或非实时地对一些参数进行定量测量^[2]。在实际的生产设计当中，能及时得到所需要的精确参数对工作人员来说十分重要，不仅便于他们进行更进一步的分析处理，更能提高效率，缩短产品的研发、生产周期。近年来，大规模可编程芯片发展速度十分迅速，传统的小规模集成芯片正在逐步退出历史舞台。而随着集成电路的大规模使用，各行各业都发生了质的飞跃，信号检测领域也不例外。模拟信号检测系统作为自动控制系统中非常常见而必不可少的辅助工具，在测量仪器及电力电子领域的应用非常广泛。因此，及时快速地研究发展模拟信号检测技术，不仅是时代的需要，更能对工业的快速发展以及科技的进步起到很大的促进作用。

1.2 研究现状与发展前景

当今社会，电子系统数字化的进程越来越快，已经成为一种社会发展的必然趋势。从传统的使用小规模芯片搭建电路到单片机的普遍应用，再到如今的大规模可编程逻辑器件以及FPGA芯片的使用，电子设计技术又向上迈了一个台阶，达到一个全新的高度。大规模可编程芯片存储容量大，逻辑功能更强，而且相比较于传统芯片，速度更快，更加可靠耐用。使用FPGA设计电路，在计算机中就可以完成对系统整体功能的设计，而且系统的逻辑功能设计者们可以根据自己的需要在芯片内部随时进行更改，对管脚的定义也十分灵活，大大减轻了设计者的工作量。模拟信号检测系统作为数字系统的一种，也正在朝着集成化的方向发展，适应当今时代的需求。国外在模拟信号检测领域起步较早，技术也已十分成熟，早已进入全自动和高精度检测时代。如美国布朗·夏普公司、日本奥林巴斯公司生产的全自动检测仪，能迅速高效地对模拟信号进行分析处理，且操作简单方便。而国内由于起步较晚，目前还停留在半自动化时代，模拟系统参数快速测试水平还不够完善。比如深圳美高蓝电子仪器有限公司、杭州美控自动化技术有限公司生产的台式模拟信号测试仪器，还需要大量的手动操作，而且参数测试速度不理想，最后测试得出的结果精度也不够高，很难满足当今社会对电子系统和设备检测维护以及工业生产的需要。目前虽然国内也有许多公司研究数字化的检测系统，但要么仅作为科学研究用，要么生产成本太高昂，无法实现量产，这对我国工业的进一步发展是十分不利的。

近年来，伴随着EDA技术而发展起来的大规模可编程逻辑器件，在自动控制以及工业生产领域的应用越来越广泛。现在工业产品一般都追求小巧方便，而采用大规模集成芯片设计出来的系统，质量轻，体积小，而且性能相比于传统系统也有了很大的提高，正好能满足现在社会的需求。模拟信号检测系统也可以基于数字电路来实现其功能。一个良好的检测系统，可以让工程技术人员快速而准确地得到所需要的参数并且处理，让电子产品的研究周期缩短，电子设备的维护速度提高，因此模拟信号检测系统的研究具有良好的发展前景。

1.3 本文研究内容

本次课题我们基于FPGA器件设计模拟信号检测系统，采用数字化的测量，依靠VHDL硬件语言编写控制程序，整个系统非常精简，不仅能达到要求的技术指标，而且比传统的检测系统测试速度快、实时性好、抗干扰性强。