数据采集存储系统实验报告

系统以C8051F360单片机最小系统为核心，结合FPGA及高速A/D数据采集模块，可靠的实现对一路外部信号进行采集.存储及FFT频谱分析。

数据采集存储系统

陈俣兵 任加勒 蔡露薇

摘要：本系统以C8051F360单片机最小系统为核心，结合FPGA及高速A/D数据采集模块，
可靠地实现对一路外部信号进行采集、存储及FFT频谱分析。系统硬件可以分为模拟部分
和数字部分。模拟电路主要包括信号调理电路、锁相环模块及A/D模块、D/A模块。调理
电路主要调节信号的幅度及直流偏置，以满足A/D对输入信号1~2V的幅度要求。锁相环模
块为A/D模块提供时钟信号，以实现对输入信号的整周期采样，防止频谱泄露。数字部分
主要由FPGA实现，用于数据的存储、传输等。本系统对锁相环的使用实现了采样频率对
输入信号的跟踪，大大增加了输入信号频率变化范围。测试显示本系统谐波分量测量误
差小于1%，系统稳定可靠。
关键字：FFT C8051F360 FPGA 锁相环
一、方案选择与论证
1.系统整体方案比较与选择
方案一：采用扫频外差法。将输入信号和扫频本振产生的信号混频，使变频后信号不
断移入窄带滤波器，进而逐个选出被测频谱分量。这种方法的优点是扫频范围大，但对
硬件电路要求较高，分辨率不高，难以满足题目要求。
方案二：采用单片机来实现。采用单片机系统控制AD转换器将交流电压电流信号存入
缓冲区后，由CPU进行频谱分析以及功率计算。此方案可以使控制模块的设计较为简单。
但是，频谱分析的计算（如FFT）具有数据量大，乘法运算居多的特点。此弊端只能通过
减少采样点数或外扩运算芯片来解决，前者会降低测量精度，而后者会增加外围硬件设
计的复杂程度。
方案三：C8051F360单片机结合FPGA及锁相环模块实现。利用锁相环模块对输入信号
频率进行跟踪，能够实现对信号每个周期采集相同点的数据，保证