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基于FPGA的离子迁移谱仪数字滤波器设计

作　者: 姚海燕
导　师: 陆锦辉；白炜东
学　校: 南京理工大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: 离子迁移谱 FIR滤波器窗函数分布式算法 FPGA
分类号: TN791
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 29次
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内容摘要

随着科技的发展,采用FPGA设计电子电路由于其开发时间短,资金投入少越来越成为设计的趋势。本文着重研究了一种应用在离子迁移谱仪中基于FPGA的数字滤波器的实现方法。离子迁移谱仪是利用在均匀电场下不同离子到达收集板的时间不同来分辨待测物质成分的一种检测仪器。由于杂质粒子和一些技术环节的影响使得输出信号存在较大干扰,影响待测物质成分的检测。本文通过对离子迁移信号的频谱分析,发现噪声信号的频率成分较高,可以使用数字低通滤波器进行滤波减小噪声。通过对数字滤波器的深入研究,选择了具有严格线性相位的FIR数字低通滤波器。使用MATLAB对信号进行频谱分析,确定了截止频率。在MATLAB环境下分别使用窗函数法、等波纹法设计了滤波器并对其进行了仿真。通过对滤波器频谱的分析和对滤波效果的比较,确定了凯瑟窗设计的32阶FIR低通滤波器的方案。运用VHDL对滤波器进行设计,并在quartusⅡ中进行综合和时序仿真。在算法上采用了分布式算法,并利用对称性简化设计,用16阶的设计完成了32阶的滤波器。最后将综合后的文件下载到]FPGA上,并通过对嵌入式逻辑分析仪对滤波效果的分析,表明滤波器起到了减小干扰,提高迁移时和迁移率的准确性的作用。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
1 绪论  9-11
  1.1 背景与意义  9
  1.2 国内外研究现状  9-10
  1.3 主要内容  10-11
2 数字滤波器设计方法研究  11-22
  2.1 数字滤波器介绍  11
    2.1.1 数字滤波器的概念  11
    2.1.2 数字滤波器的分类  11
    2.1.3 数字滤波器的设计方法  11
  2.2 IIR数字滤波器的设计方法  11-14
    2.2.1 脉冲响应不变法  12-13
    2.2.2 双线性变换法  13
    2.2.3 高通、带通和带阻滤波器的设计  13-14
  2.3 FR数字滤波器的设计方法  14-22
    2.3.1 线性相位FIR数字滤波器  14-16
    2.3.2 线性相位FIR数字滤波器结构  16-17
    2.3.3 FIR数字滤波器设计方法  17-22
3 FIR数字滤波器的MATLAB设计与仿真  22-29
  3.1 MATLAB软件  22
  3.2 使用FDATooL设计FIR数字滤波器  22-23
  3.3 信号的频谱分析及滤波器设计  23-29
    3.3.1 对信号的频谱分析  23-25
    3.3.2 确定截止频率  25-26
    3.3.3 阶数和FIR滤波器设计方法的选择  26-29
4 基于FPGA的设计方法研究  29-36
  4.1 FPGA概述  29-32
    4.1.1 FPGA技术及电子设计自动化(EDA)简介  29
    4.1.2 quartus Ⅱ软件介绍  29-30
    4.1.3 FPGA结构介绍  30-32
  4.2 FPGA设计方法  32-33
  4.3 分布式算法  33-36
    4.3.1 分布式算法基础  33-34
    4.3.2 并行的分布式算法  34
    4.3.3 串行的分布式算法  34-36
5 FIR滤波器的FPGA算法实现及仿真  36-53
  5.1 离子迁移谱仪结构  36
  5.2 用FPGA实现数字滤波器的算法  36-39
  5.3 模块的VHDL设计  39-49
    5.3.1 数据寄存模块的设计  39-41
    5.3.2 对位相加模块的设计  41-42
    5.3.3 查找表模块  42-46
    5.3.4 求和模块  46-47
    5.3.5 移位输出  47-48
    5.3.6 时钟控制  48-49
  5.4 顶层文件及仿真  49-51
  5.5 数据误差分析  51-53
6 结论  53-54
致谢  54-55
参考文献  55

基于FPGA的离子迁移谱仪数字滤波器设计

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