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摘 要：本论文介绍了基于FPGA的多通道采样系统的设计。用FPGA设计一个多通道采样控制器，利用VHDL语言设计有限状态机来实现对AD7892的控制。由于FPGA器件的特性是可以實现高速工作，为此模拟信号选用音频信号。由于音频信号的频率是20Hz-20KHz，这样就对AD转换的速率有很高的要求.因为FPGA的功能很强大，所以我们把系统的许多功能都集成到FPGA器件中，例如AD通道选择部分，串并输出控制模块，这样使得整个系统的外围电路简单、系统的稳定性强。FPGA的配置模式选用被动串行模式，这样就增强了系统的可扩展性。
关键词：音频放大;滤波器;FPGA;VHDL;AD7892;
1.引言
FPGA（Field-Programmable Gate Array 现场可编程门阵列）是近年来广泛应用的超大规模、超高速的可编程逻辑器件，由于其具有高集成度（单片集成的系统门数达上千万门）、高速（200MHz以上）、在线系统可编程等优点，为数字系统的设计带来了突破性变革，大大推动了数字系统设计的单片化、自动化，提高了单片数字系统的设计周期、设计灵活性和可靠性。在超高速信号处理和实时测控方面有非常广泛的应用。
硬件描述语言HDL是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。VHDL是硬件描述语言的几种代表性语言的一种。VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language 即超高速集成电路硬件描述语言）主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，与其它的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。用VHDL设计的程序，通过综合工具产生网表文件，下载到目标器件，从而生成硬件电路。
2.方案设计
用FPGA实现一个3位8进制的计数器，记数脉冲是FPGA锁存AD转换数据的锁存信号，计数器的输出作为数据开关CD4051的地址。用有限状态机来实现对AD7892的控制，这样电路实现比较简单，而且AD7892的采样速率可以达到500KHz，可以实现8个通道同时8路音频信号采集。同时采用FIFO模块，让数字数据先存到队列中，一边往队列中写数据，一边从队列中读数据，这样就对数字数据起了一个高速缓存的作用，更加快了整个系统的运行速度。
3.单元电路的设计
由图2.1可以看出，系统可以分为4个大部分，分别是音频放大、滤波部分，FPGA控制部分，AD采样电路，FPGA硬件电路的设计。其中以FPGA控制部分为主体部分，它涉及到AD采样控制，通道选择控制，串并输出模式选择模块，延时模块以及FIFO模块介绍。这些模块的实现是系统实现的关键。下面分别对系统的这些单元电路做详细的阐述。
3.1 音频放大、滤波部分
人的耳朵可以辨别到的声音频率范围是：20Hz-20KHz，所以对音频放大部分的放大器有带宽要求，要求放大器是宽频带的。所以本次设计选用专门用于音频放大的高速低噪声运放NE5532作为放大部分的放大器。滤波部分是一个有源带通滤波器，滤掉电路的20Hz以下的低频和20KHz以上的高频干扰。
3.2 AD采样电路
由于人的耳朵能识别的音频的频率范围是20Hz-20KHz，根据奈魁斯特（NYQUIST）采样定理知道，要使采样后的数字信号能恢复成模拟信号，采样的频率必须是模拟信号的频率的两倍，即本次采样系统的采样频率最低要设计在40KHz，而一般CD格式的音频信号的采样频率是44.1KHz，由于是8路通道的采样，所以AD芯片的最低采样频率应该是44.1KHz
8=352.8KHz，所以选择采样频率为500KHz的AD7892。这样我们每个通道的采样频率就是500KHz/8=62.5KHz。
3.4 FPGA的硬件设计
本次设计选用的FPGA芯片是ALTERA公司的ACEX1K系列的EP1K30TC144-3。由于它的高密度和易于在设计中实现复杂宏函数和存储器，因此可以把一个子系统集成在单一芯片上，EP1K30包括一个嵌入式阵列，这为设计人员提供了有效的嵌入式门阵列和灵活的可编程逻辑。嵌入式阵列是由一系列嵌入式阵列块（EAB）组成的，它能够用来实现各种存储器和复杂逻辑功能;该器件也提供多电压I/O接口操作。它允许器件桥架在不同电压工作的系统中。比如本次系统设计器件的I/O输出就是2.5V，这样不但使FPGA芯片工作安全，也可以让AD7892能工作安全状态。
4 软件介绍
在实验中主要使用了MAX+PlusⅡ、EWB、以及Protel99se三种软件，其中，Max PlusⅡ主要完成对FPGA芯片的编程，仿真，芯片引脚锁定以及编程在线配置等操作，EWB主要用于对放大、滤波电路作分析与设计，并以分析为主，尤其是EWB能提供一个虚拟的实验室，可以对电路和系统进行十分逼真的模拟;Protel99se则是整个电路设计PCB的重要工具。现分别对这三种软件进行介绍，其中重点介绍使用MAX+PlusⅡ的常用基本设计方法。
5 整机调试
在硬件电路中用到了音频放大、滤波电路，电源稳压电路，AD采样电路，FPGA控制等主要部分，由于电路连线较多而且复杂，采用的方法是分块调试，这样比较容易发现问题和解决问题。这种硬件调试方法在实际应用是比较普遍的。
在进行硬件调试之前，首先要检查电路板，看看电路板上的线路是否有短路、虚焊或者是断路的情况，如果有则要修正它，如果没有就可以进行各个模块的调试。
6调试注意事项
在调试音频放大部分的时候，话筒和电路板的连接线要选用屏蔽线，这样用助于屏蔽周围的干扰信号，普通的电线无法做到这一点。
由于FPGA芯片引脚过多，而且电路相对复杂，所以在硬件电路的功能调试之前，需要对硬件电路的检查和调试。特别是对FPGA芯片的电源的检查，电源电压的过高，芯片就会烧坏;电压过低，芯片就工作不起来。设计把AD部分和FPGA芯片分到了两块板子上，而且FPGA芯片电源是由LM317稳压块提供，所以先在AD模块加上+5V电源，用万用表测得LM317的输出电压是否是2.5V，这样就起到保护FPGA芯片的作用。
7 结论
本次设计采用FPGA实现采样系统，从而系统具有高速、稳定、低功耗等特点，音频模拟信号经放大器NE5532放大后，经过8路选择后，进入滤波器进行滤波，滤掉高频干扰信号和低频干扰信号的干扰，然后进入AD7892进行AD采样，采样后的12位数据通过一个FIFO队列存储，最后从FIFO中读出数字信号，在串并输出模式的选择下在示波器上显示出来。
参考文献
[1] 张亦华.数字电路EDA入门—VHDL程序实例集[M].北京：北京邮电大学出版社，2003.3
[2] 李洋.EDA技术实用教程[M].北京：机械工业出版社，2004.7
关键词：音频放大;滤波器;FPGA;VHDL;AD7892;
1.引言
FPGA（Field-Programmable Gate Array 现场可编程门阵列）是近年来广泛应用的超大规模、超高速的可编程逻辑器件，由于其具有高集成度（单片集成的系统门数达上千万门）、高速（200MHz以上）、在线系统可编程等优点，为数字系统的设计带来了突破性变革，大大推动了数字系统设计的单片化、自动化，提高了单片数字系统的设计周期、设计灵活性和可靠性。在超高速信号处理和实时测控方面有非常广泛的应用。
硬件描述语言HDL是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。VHDL是硬件描述语言的几种代表性语言的一种。VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language 即超高速集成电路硬件描述语言）主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，与其它的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。用VHDL设计的程序，通过综合工具产生网表文件，下载到目标器件，从而生成硬件电路。
2.方案设计
用FPGA实现一个3位8进制的计数器，记数脉冲是FPGA锁存AD转换数据的锁存信号，计数器的输出作为数据开关CD4051的地址。用有限状态机来实现对AD7892的控制，这样电路实现比较简单，而且AD7892的采样速率可以达到500KHz，可以实现8个通道同时8路音频信号采集。同时采用FIFO模块，让数字数据先存到队列中，一边往队列中写数据，一边从队列中读数据，这样就对数字数据起了一个高速缓存的作用，更加快了整个系统的运行速度。
3.单元电路的设计
由图2.1可以看出，系统可以分为4个大部分，分别是音频放大、滤波部分，FPGA控制部分，AD采样电路，FPGA硬件电路的设计。其中以FPGA控制部分为主体部分，它涉及到AD采样控制，通道选择控制，串并输出模式选择模块，延时模块以及FIFO模块介绍。这些模块的实现是系统实现的关键。下面分别对系统的这些单元电路做详细的阐述。
3.1 音频放大、滤波部分
人的耳朵可以辨别到的声音频率范围是：20Hz-20KHz，所以对音频放大部分的放大器有带宽要求，要求放大器是宽频带的。所以本次设计选用专门用于音频放大的高速低噪声运放NE5532作为放大部分的放大器。滤波部分是一个有源带通滤波器，滤掉电路的20Hz以下的低频和20KHz以上的高频干扰。
3.2 AD采样电路
由于人的耳朵能识别的音频的频率范围是20Hz-20KHz，根据奈魁斯特（NYQUIST）采样定理知道，要使采样后的数字信号能恢复成模拟信号，采样的频率必须是模拟信号的频率的两倍，即本次采样系统的采样频率最低要设计在40KHz，而一般CD格式的音频信号的采样频率是44.1KHz，由于是8路通道的采样，所以AD芯片的最低采样频率应该是44.1KHz
8=352.8KHz，所以选择采样频率为500KHz的AD7892。这样我们每个通道的采样频率就是500KHz/8=62.5KHz。
3.4 FPGA的硬件设计
本次设计选用的FPGA芯片是ALTERA公司的ACEX1K系列的EP1K30TC144-3。由于它的高密度和易于在设计中实现复杂宏函数和存储器，因此可以把一个子系统集成在单一芯片上，EP1K30包括一个嵌入式阵列，这为设计人员提供了有效的嵌入式门阵列和灵活的可编程逻辑。嵌入式阵列是由一系列嵌入式阵列块（EAB）组成的，它能够用来实现各种存储器和复杂逻辑功能;该器件也提供多电压I/O接口操作。它允许器件桥架在不同电压工作的系统中。比如本次系统设计器件的I/O输出就是2.5V，这样不但使FPGA芯片工作安全，也可以让AD7892能工作安全状态。
4 软件介绍
在实验中主要使用了MAX+PlusⅡ、EWB、以及Protel99se三种软件，其中，Max PlusⅡ主要完成对FPGA芯片的编程，仿真，芯片引脚锁定以及编程在线配置等操作，EWB主要用于对放大、滤波电路作分析与设计，并以分析为主，尤其是EWB能提供一个虚拟的实验室，可以对电路和系统进行十分逼真的模拟;Protel99se则是整个电路设计PCB的重要工具。现分别对这三种软件进行介绍，其中重点介绍使用MAX+PlusⅡ的常用基本设计方法。
5 整机调试
在硬件电路中用到了音频放大、滤波电路，电源稳压电路，AD采样电路，FPGA控制等主要部分，由于电路连线较多而且复杂，采用的方法是分块调试，这样比较容易发现问题和解决问题。这种硬件调试方法在实际应用是比较普遍的。
在进行硬件调试之前，首先要检查电路板，看看电路板上的线路是否有短路、虚焊或者是断路的情况，如果有则要修正它，如果没有就可以进行各个模块的调试。
6调试注意事项
在调试音频放大部分的时候，话筒和电路板的连接线要选用屏蔽线，这样用助于屏蔽周围的干扰信号，普通的电线无法做到这一点。
由于FPGA芯片引脚过多，而且电路相对复杂，所以在硬件电路的功能调试之前，需要对硬件电路的检查和调试。特别是对FPGA芯片的电源的检查，电源电压的过高，芯片就会烧坏;电压过低，芯片就工作不起来。设计把AD部分和FPGA芯片分到了两块板子上，而且FPGA芯片电源是由LM317稳压块提供，所以先在AD模块加上+5V电源，用万用表测得LM317的输出电压是否是2.5V，这样就起到保护FPGA芯片的作用。
7 结论
本次设计采用FPGA实现采样系统，从而系统具有高速、稳定、低功耗等特点，音频模拟信号经放大器NE5532放大后，经过8路选择后，进入滤波器进行滤波，滤掉高频干扰信号和低频干扰信号的干扰，然后进入AD7892进行AD采样，采样后的12位数据通过一个FIFO队列存储，最后从FIFO中读出数字信号，在串并输出模式的选择下在示波器上显示出来。
参考文献
[1] 张亦华.数字电路EDA入门—VHDL程序实例集[M].北京：北京邮电大学出版社，2003.3
[2] 李洋.EDA技术实用教程[M].北京：机械工业出版社，2004.7