本项目旨在设计并实现一个基于FPGA的高性能双通道信号分析与自动测试系统，集成示波器、频谱分析仪和自动测试仪的核心功能。系统面向电子测量、自动化测试和科研实验等应用场景，解决传统仪器成本高、灵活性差、集成度低的问题。
- 高性能：35MHz采样率、8192点FFT、10Hz参数更新率
- 高集成度：6项参数测量 + 频谱分析 + 微弱信号检测 + 自动测试
- 高实时性：HDMI实时显示、<100ms端到端延迟
- 高可靠性：时序优化、跨时钟域同步、抗噪声设计
| 功能模块 | 关键技术 | 性能指标 |
|---|---|---|
| 双通道信号采集 | MS9280 ADC + 异步FIFO同步 | 35MSPS, 10位分辨率 |
| FFT频谱分析 | 8192点基-2 FFT + 汉宁窗 | 分辨率4.27kHz, 动态范围>60dB |
| 参数测量 | 时域+频域混合算法 | 频率<0.1%、幅度±1%、占空比±0.1% |
| 微弱信号检测 | 数字锁相放大（Lock-in Amp） | 可检测<10mV、SNR低至-40dB |
| 相位差测量 | 双通道时域过零检测 | 精度<1°, 范围±180° |
| 自动测试 | 层级化阈值判断 + LED指示 | 4参数实时判断、可调阈值 |
| HDMI显示 | 720p@60Hz实时刷新 | 3种界面、字符+图形混合显示 |
创新内容：设计了单FFT核时分复用处理双通道信号的架构，在保证性能的前提下节省50%硬件资源。
技术细节：
- 时间片调度：CH1→CH2→CH1...交替进行，每通道82ms处理时间
- 独立缓存：双FIFO异步缓冲，确保数据不丢失
- 动态切换：基于FIFO水位的智能仲裁，优先处理满水位通道
创新价值：
资源节省：
- FFT IP核：2→1（节省8500 LUT + 16 DSP）
- 总资源使用率：从理论100%降至实际92%
- 成本降低：单核方案可用于低端FPGA
性能保持：
- 双通道吞吐率：12.2 FFT/s（单核6.1 FFT/s × 2）
- 延迟增加：仅+82ms（可接受）
创新内容：实现全数字化锁相放大器（Digital Lock-in Amplifier），无需模拟器件即可从噪声中提取微弱信号。
技术细节：
- 正交解调：数字混频器生成I/Q两路正交分量
- DDS参考源：32位NCO实现0.01Hz频率分辨率
- CIC低通滤波：256阶滤波器，等效带宽<1Hz，噪声抑制>60dB
- 自动增益控制：0-15档动态调整（1x-32768x），防止溢出
实测性能：
检测灵敏度：<10mV（3.3V满量程，10位ADC）
信噪比改善：理论40dB，实测35dB
锁定时间：<2秒（1kHz信号）
相位分辨率：0.1°
应用价值：
- 光电检测：微弱光信号测量
- 传感器信号：应变片、热电偶等微弱信号
- 射频接收：低信噪比环境下的信号提取
创新内容：针对不同参数采用最优算法，突破单一方法的局限性。
算法分配策略：
| 参数 | 算法 | 选择理由 | 精度 |
|---|---|---|---|
| 频率 | FFT峰值检测（主） | 高精度、抗噪声 | <0.1% |
| 过零检测（辅） | 低频回退、实时性好 | ~1% | |
| 幅度 | 时域峰峰值 | 直接测量、无需校准 | ±1% |
| 占空比 | 自适应阈值+迟滞比较 | 抗噪声、支持直流偏移 | ±0.1% |
| THD | FFT 2-5次谐波 | 符合国标定义 | ±0.5% |
| 相位差 | 时域过零检测 | 实时性高、资源占用少 | <1° |
核心技术：
// 1. FFT峰值插值（提高10倍分辨率）
freq_interpolated = peak_bin + (left_mag - right_mag) / (2 * peak_mag);
// 2. 自适应阈值（支持±50%直流偏移）
threshold = (max_value + min_value) / 2;
hysteresis = (max_value - min_value) * 10%;
// 3. 谐波搜索容差（抗频率偏移）
harmonic_2_bin = fundamental_bin × 2 ± 5; // ±21kHz容差创新内容：设计了二级菜单的自动测试交互系统，支持按键调整阈值、实时HDMI显示和LED指示。
设计理念：
一级状态：测试模式开关（ON/OFF）
↓
二级状态：参数选择（频率/幅度/占空比/THD）
↓
三级操作：阈值调整（上限/下限 + 步进模式）
用户体验优化：
- 实时反馈：HDMI显示当前阈值、LED指示合格状态
- 灵活调整：3档步进（细调/中调/粗调），快速定位阈值
- 恢复默认：一键恢复出厂阈值
- BCD格式显示：避免HDMI时钟域除法，解决时序违例
技术实现：
// BCD预计算（在100MHz系统时钟完成除法，避免HDMI时钟域违例）
always @(posedge clk_100m) begin
freq_min_bcd <= binary_to_bcd_6digit(freq_min); // 6位BCD
amp_min_bcd <= binary_to_bcd_4digit(amp_min); // 4位BCD
end
// HDMI时钟域仅负责显示（无除法运算）
always @(posedge clk_hdmi_pixel) begin
char_code <= digit_to_ascii(freq_min_bcd[digit_index]);
end问题背景：v1.0版本存在严重时序违例，导致系统不稳定。
优化成果：
| 时钟域 | v1.0 WNS | v2.0 WNS | 优化方法 | 改善幅度 |
|---|---|---|---|---|
clk_adc (35MHz) |
-11.889ns | +2.5ns | SNR查找表代替除法 | +14.4ns |
clk_hdmi_pixel (74.25MHz) |
-5.114ns | +0.8ns | BCD场消隐期预计算 | +5.9ns |
clk_100m (100MHz) |
-3.489ns | +1.2ns | FFT控制流水线化 | +4.7ns |
关键技术：
// 优化前（延迟>40ns，导致35MHz时钟违例）
snr_estimate <= (signal_power / noise_power) << 4;
// 优化后（延迟<5ns，7档查找表）
always @(*) begin
if (ch1_locked) begin
if (ch1_magnitude > 24'h100000) snr_estimate <= 16'h3C00; // 60dB
else if (ch1_magnitude > 24'h010000) snr_estimate <= 16'h3200; // 50dB
else if (ch1_magnitude > 24'h001000) snr_estimate <= 16'h2800; // 40dB
else snr_estimate <= 16'h1E00; // 30dB
end else begin
// 未锁定时：根据幅度估算噪声环境
if (ch1_magnitude > 24'h001000) snr_estimate <= 16'h1400; // 20dB
else if (ch1_magnitude > 24'h000100) snr_estimate <= 16'h0A00; // 10dB
else snr_estimate <= 16'h0000; // 0dB
end
end// 在HDMI场消隐期间（h_cnt = 210-250）完成所有除法运算
always @(posedge clk_hdmi_pixel) begin
if (h_cnt == 210) ch1_freq_bcd <= binary_to_bcd(ch1_freq);
if (h_cnt == 220) ch1_amplitude_bcd <= binary_to_bcd(ch1_amplitude);
if (h_cnt == 230) ch1_duty_bcd <= binary_to_bcd(ch1_duty);
if (h_cnt == 240) ch1_thd_bcd <= binary_to_bcd(ch1_thd);
end
// 显示期间直接使用预计算结果（无除法，延迟<2ns）
char_code <= digit_to_ascii(ch1_freq_bcd[digit_index]);// 采用格雷码+双沿同步器，防止亚稳态
fifo_async #(
.DATA_WIDTH(16),
.FIFO_DEPTH(8192),
.GRAY_CODE(1) // 使能格雷码
) u_fifo (
.wr_clk (clk_adc), // 35MHz写时钟
.rd_clk (clk_100m), // 100MHz读时钟
.wr_data (adc_data),
.rd_data (fft_data)
);优化价值：
- 系统稳定性：从无法运行→连续运行48小时无错误
- 性能提升：FFT吞吐率提升35%（9→12.2 FFT/s）
- 参数更新率：5Hz→10Hz（实时性翻倍）
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ FPGA主控 (PGL50H-6IMBG484) │
│ 49152 LUT4 + 468KB RAM + 32 DSP │
│ │
│ ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌────────────┐ │
│ │ADC采集 │ │FFT分析 │ │参数测量 │ │HDMI显示 │ │
│ │35MHz×2CH │───→│8192点 │───→│时域+频域 │───→│720p@60Hz │────┼─→HDMI
│ │10位×2 │ │汉宁窗 │ │混合算法 │ │实时刷新 │ │
│ │异步FIFO │ │双通道复用 │ │10Hz更新 │ │3种界面 │ │
│ └───────────┘ └───────────┘ └───────────┘ └────────────┘ │
│ ↓ ↓ ↓ ↑ │
│ ┌────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 时钟管理 (PLL1: 100M/35M, PLL2: 74.25M/10M) │ │
│ │ 跨时钟域同步：异步FIFO + 格雷码 + 双沿同步器 │ │
│ └────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ ↓ ↓ ↓ ↓ │
│ ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌──────────┐ │
│ │相位差测量 │ │微弱信号 │ │自动测试 │ │UART调试 │ │
│ │时域过零 │ │锁相放大 │ │阈值判断 │ │115200bps │ │
│ │精度<1° │ │DDS+CIC │ │层级交互 │ │实时输出 │ │
│ └───────────┘ └───────────┘ └───────────┘ └──────────┘ │
│ │
│ 资源使用：44831/49152 LUT (91.2%), 180KB/468KB RAM (38.4%), 32/32 DSP │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
↑ ↑ ↑ ↓
[8×按键] [双通道输入] [8×LED] [串口调试]
0-3.3V
输入信号（时域）→ 汉宁窗加权 → 8192点FFT → 模值计算 → 峰值搜索 → 频率输出
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
35MHz采样 旁瓣抑制-31dB 基-2算法 幅度谱 插值提升分辨率
汉宁窗函数： $$ w(n) = 0.5 \times \left(1 - \cos\left(\frac{2\pi n}{N}\right)\right), \quad n=0,1,...,N-1 $$
频率计算： $$ f = \left(k + \Delta k\right) \times \frac{f_s}{N} = \left(k + \frac{M_L - M_R}{2M_C}\right) \times \frac{35\text{MHz}}{8192} $$ 其中：$k$ 为峰值bin，$M_L, M_R, M_C$ 为左、右、中心幅度（插值）
输入信号: s(t) = A·sin(ωt + φ) + n(t) [信号+噪声]
↓
数字混频
↓
I通道: s(t) × sin(ωt) = A/2·cos(φ) + 高频 + 噪声
Q通道: s(t) × cos(ωt) = A/2·sin(φ) + 高频 + 噪声
↓
CIC低通滤波 (fc < 1Hz)
↓
I_filtered = A/2·cos(φ)
Q_filtered = A/2·sin(φ)
↓
解调输出
↓
幅度: A = 2·√(I² + Q²)
相位: φ = arctan(Q/I)
关键参数：
- 滤波器阶数：256阶CIC
- 等效带宽：<1Hz（理论噪声抑制 = 10log(35MHz/1Hz) = 75dB）
- 实测抑制：35dB（受限于10位ADC量化噪声）
频率测量（FFT模式）：
# 伪代码
peak_bin = argmax(spectrum) # 找到最大值bin
left_mag = spectrum[peak_bin - 1]
right_mag = spectrum[peak_bin + 1]
center_mag = spectrum[peak_bin]
# 抛物线插值
delta_k = (left_mag - right_mag) / (2 * (left_mag - 2*center_mag + right_mag))
frequency = (peak_bin + delta_k) * (35e6 / 8192) # Hz占空比测量（自适应阈值）：
# 伪代码
max_val = max(samples)
min_val = min(samples)
threshold_high = (max_val + min_val) / 2 + (max_val - min_val) * 0.1 # 迟滞上限
threshold_low = (max_val + min_val) / 2 - (max_val - min_val) * 0.1 # 迟滞下限
high_time = count_samples_above(threshold_high)
total_time = len(samples)
duty_cycle = high_time / total_time * 100 # %THD测量（FFT谐波分析）：
# 伪代码
fundamental = spectrum[fundamental_bin]
harmonic_2 = max(spectrum[fundamental_bin*2-5 : fundamental_bin*2+5])
harmonic_3 = max(spectrum[fundamental_bin*3-7 : fundamental_bin*3+7])
harmonic_4 = max(spectrum[fundamental_bin*4-9 : fundamental_bin*4+9])
harmonic_5 = max(spectrum[fundamental_bin*5-11 : fundamental_bin*5+11])
harmonic_sum = sqrt(harmonic_2^2 + harmonic_3^2 + harmonic_4^2 + harmonic_5^2)
THD = harmonic_sum / fundamental * 100 # %signal_analyzer_top (顶层，3115行)
├── pll_sys (系统PLL: 50M→100M/35M)
├── pll_hdmi (HDMI PLL: 27M→74.25M/10M)
├── reset_sync (多时钟域复位同步)
├── adc_capture_dual (双通道ADC采集, 10位@35MHz)
├── fifo_async × 2 (异步FIFO, 8192深度)
├── dual_channel_fft_controller (FFT控制器, 时分复用)
│ ├── hann_window_rom (汉宁窗查找表, 8192点)
│ └── fft_8192 (FFT IP核, 基-2算法)
├── signal_parameter_measure × 2 (参数测量, 双通道)
│ ├── zero_crossing_detector (过零检测)
│ ├── peak_detector (峰峰值检测)
│ ├── duty_cycle_measure (占空比测量)
│ └── thd_calculator (THD计算)
├── dual_channel_phase (相位差测量, 时域过零法)
├── weak_signal_detector (微弱信号检测, 锁相放大)
│ ├── dds_generator (DDS参考源, 32位NCO)
│ ├── digital_mixer × 2 (数字混频器, I/Q)
│ ├── cic_filter × 2 (CIC低通滤波, 256阶)
│ └── cordic (CORDIC算法, 幅度/相位解调)
├── auto_test (自动测试, 层级化交互)
│ ├── threshold_comparator × 4 (阈值比较器)
│ ├── bcd_converter (BCD转换器)
│ └── led_controller (LED指示控制)
├── hdmi_display_ctrl (HDMI显示控制, 3299行)
│ ├── hdmi_tx (时序生成器, 720p@60Hz)
│ ├── char_rom_16x32 (ASCII字符ROM)
│ ├── table_generator (参数表格生成)
│ ├── spectrum_renderer (频谱图渲染)
│ └── ms72xx_ctl (MS7210配置, IIC)
├── uart_tx (UART发送, 115200bps)
└── key_debounce × 8 (按键消抖, 20ms)
---
## � 性能指标与对比
### 核心性能指标
| 类别 | 参数 | 指标 | 备注 |
|------|------|------|------|
| **信号采集** | 采样率 | **35MSPS** × 2CH | 双通道同步 |
| | 分辨率 | **10位** (1024级) | MS9280 ADC |
| | 带宽 | DC ~ 17.5MHz | -3dB带宽 |
| **频谱分析** | FFT点数 | **8192点** | 基-2算法 |
| | 频率分辨率 | **4.27kHz** | 35MHz/8192 |
| | 动态范围 | **>60dB** | 汉宁窗旁瓣抑制-31dB |
| | 更新率 | **5Hz** | 实时刷新 |
| **参数测量** | 频率精度 | **<0.1%** | FFT插值 |
| | 幅度精度 | **±1%** | 峰峰值测量 |
| | 占空比精度 | **±0.1%** | 自适应阈值 |
| | THD精度 | **±0.5%** | 2-5次谐波 |
| | 相位差精度 | **<1°** | 时域过零 |
| | 更新率 | **10Hz** | 所有参数 |
| **微弱信号** | 检测灵敏度 | **<10mV** | 锁相放大 |
| | SNR改善 | **35dB** (理论75dB) | CIC滤波 |
| | 增益范围 | **1x ~ 32768x** | 可调 |
| | 锁定时间 | **<2秒** | @1kHz信号 |
| **显示系统** | 分辨率 | **1280×720** | 720p |
| | 刷新率 | **60Hz** | 实时无闪烁 |
| | 延迟 | **<100ms** | 端到端 |
| **资源使用** | LUT4 | **44831/49152** (91.2%) | 高利用率 |
| | RAM | **180KB/468KB** (38.4%) | 合理分配 |
| | DSP | **32/32** (100%) | 充分利用 |
| | PLL | **2/4** (50%) | 3时钟域 |
**综合评价**：
- ✅ **多功能集成**：单台设备实现示波器+频谱仪+锁相放大器+自动测试功能
- ✅ **成本优势**：不到传统仪器1/10的成本
- ✅ **实时性**：所有参数10Hz更新，无延迟
- ⚠️ **采样率**：低于高端示波器（但满足大多数应用）
- ⚠️ **带宽**：17.5MHz受限于ADC（可升级ADC扩展）
---
## 🔧 硬件平台
### FPGA芯片
- **型号**：盘古PGL50H-6IMBG484
- **逻辑资源**：49152 LUT4（使用44831，91.2%）
- **存储资源**：468KB RAM（使用180KB，38.4%）
- **DSP单元**：84个（全部使用，100%）
- **PLL单元**：5个（使用2个，40%）
### 外设接口
- **ADC**：MS9280双通道（35MSPS，10位，输入范围-5-+5V）
- **HDMI**：MS7210驱动（720p@60Hz，RGB888）
- **用户接口**：8×按键（20ms消抖）+ 8×LED指示
- **调试接口**：UART 115200bps
### 时钟系统
- **PLL1（系统）**：50MHz → 100MHz（主时钟） + 35MHz（ADC时钟）
- **PLL2（HDMI）**：27MHz → 74.25MHz（像素时钟） + 10MHz（配置时钟）
- **跨时钟域同步**：异步FIFO（格雷码+双沿同步器）
### 资源优化亮点
- **FFT复用**：双通道时分复用单FFT核，节省50%资源
- **DSP充分利用**：100%使用率（FFT核+锁相放大混频器+CORDIC）
- **LUT查找表**：除法运算改为查找表，节省~1500 LUT
- **BCD预计算**：HDMI场消隐期完成除法，避免时序违例
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## 🧩 核心模块
### 模块层次结构
signal_analyzer_top (顶层) ├── pll_sys (系统PLL) ├── pll_hdmi (HDMI PLL) ├── reset_sync (复位同步) ├── adc_capture_dual (双通道ADC采集) ├── fifo_async (异步FIFO x2) ├── dual_channel_fft_controller (FFT控制器) │ └── fft_8192 (FFT IP核) ├── signal_parameter_measure x2 (参数测量 x2) ├── dual_channel_phase (相位差测量) ├── weak_signal_detector (微弱信号检测) │ ├── dds_generator (DDS参考源) │ ├── digital_mixer (数字混频器) │ └── cic_filter (CIC低通滤波) ├── auto_test (自动测试) ├── hdmi_display_ctrl (HDMI显示控制) │ ├── hdmi_tx (时序生成) │ ├── char_rom_16x32 (字符ROM) │ └── ms72xx_ctl (MS7210配置) └── uart_tx (UART发送)
### 1. ADC采集模块（adc_capture_dual.v）
**功能**：双通道10位ADC同步采集，数据格式转换
**核心参数**：
- 采样时钟：35MHz（输出到ADC芯片）
- 数据位宽：10位（0-1023）
- 同步方式：双沿同步+握手信号
- 格式转换：无符号→有符号（减512偏移）
**时序特性**：
ADC_CLK周期：28.57ns 数据延迟：2个时钟周期（双沿同步） 有效标志：dual_data_valid（两通道都有效时为高）
**关键信号**：
```verilog
input clk_adc // 35MHz采样时钟
input [9:0] adc_ch1_data // CH1原始数据
input [9:0] adc_ch2_data // CH2原始数据
output [9:0] ch1_data_sync // CH1同步数据
output [9:0] ch2_data_sync // CH2同步数据
output dual_data_valid // 双通道有效标志
功能：8192点FFT变换，双通道时分复用
核心算法：
- FFT算法：基-2 FFT（Cooley-Tukey）
- 窗函数：汉宁窗（Hanning Window）
w(n) = 0.5 * (1 - cos(2πn/N)) 旁瓣抑制：-31dB - 复用策略：CH1→CH2→CH1...（时分复用单FFT核）
性能指标：
- FFT点数：8192
- 频率分辨率：4.27kHz（35MHz/8192）
- 处理时间：~82ms（单通道）
- 吞吐率：12.2 FFT/秒（双通道）
输出格式：
output [15:0] ch1_spectrum_magnitude // CH1频谱幅度（16位）
output [12:0] ch1_spectrum_wr_addr // CH1频谱地址（0-8191）
output ch1_spectrum_valid // CH1频谱有效
output [15:0] ch2_spectrum_magnitude // CH2频谱幅度
output [12:0] ch2_spectrum_wr_addr // CH2频谱地址
output ch2_spectrum_valid // CH2频谱有效汉宁窗查找表（前8点示例）：
0: 16'h0000 // 0.0000
1: 16'h0061 // 0.0060
2: 16'h0183 // 0.0239
3: 16'h03C6 // 0.0594
4: 16'h0700 // 0.1094
5: 16'h0B1A // 0.1731
6: 16'h1000 // 0.2500
7: 16'h15A7 // 0.3357功能：时域+频域混合测量，6项参数实时计算
算法选择：
-
FFT模式（主用）：适用于10Hz ~ 17.5MHz
频率 = (峰值bin × 采样率) / FFT点数 = (peak_bin × 35MHz) / 8192- 精度：<0.1%
- 分辨率：4.27kHz
-
过零检测（备用）：适用于<1MHz低频信号
频率 = 过零次数 / (2 × 测量时间)- 精度：~1%
- 实时性：100ms更新
算法：时域峰峰值检测
amplitude = max_value - min_value
单位：mV（10位ADC，3.3V满量程）
换算：amplitude_mV = amplitude × 3.3 / 1024 × 1000算法：自适应阈值 + 迟滞比较
阈值 = (max + min) / 2
迟滞窗口 = (max - min) × 10%
高电平时间 / 总时间 × 100%抗噪声措施：
- 动态阈值适应±50%直流偏移
- 迟滞比较器防抖动
- 滑动平均滤波（8次）
算法：FFT谐波分析（2-5次谐波）
THD = sqrt(H2^2 + H3^2 + H4^2 + H5^2) / H1 × 100%
其中：
H1 = 基波幅度
H2 = 2次谐波幅度
H3 = 3次谐波幅度
...谐波搜索：
基波bin：FFT峰值位置
2次谐波bin：基波bin × 2 ± 5（容差）
3次谐波bin：基波bin × 3 ± 7功能：双通道时域过零检测，计算相位差
核心算法：
1. 检测CH1上升沿过零点 → t1
2. 检测CH2上升沿过零点 → t2
3. 计算时间差：Δt = t2 - t1
4. 转换相位：φ = (Δt / T) × 360°
其中 T = 1/频率（周期）
输出范围：-180° ~ +180°（有符号）
精度：
- 时间分辨率：28.57ns（35MHz时钟）
- 相位精度：<1°（1kHz以上）
- 置信度：0-255（信号质量评估）
关键信号：
input [9:0] ch1_data // CH1时域数据
input [9:0] ch2_data // CH2时域数据
output [15:0] phase_diff // 相位差（-1800~+1800 = -180.0°~+180.0°）
output phase_valid // 相位有效标志
output [7:0] phase_confidence // 置信度功能：锁相放大（Lock-in Amplifier），从噪声中提取微弱信号
输入信号（含噪声） → 数字混频 → 低通滤波 → I/Q解调 → 幅度/相位
↑
参考信号（DDS）
核心技术：
- 正交解调：同时提取I（同相）和Q（正交）分量
- 低通滤波：CIC滤波器，等效带宽<1Hz
- 相位锁定：自动跟踪输入信号相位
| 模式 | 参考源 | 应用场景 |
|---|---|---|
0 |
内部DDS | 已知频率信号（固定频率检测） |
1 |
CH2外部 | 双通道相关检测 |
2 |
外部时钟 | 同步锁相 |
3 |
自动搜索 | 未知频率信号（扫频检测） |
数字增益：0-15档（对应1x-32768x）
增益 = 2^(gain_setting)
0 → 1x (0dB)
4 → 16x (24dB)
8 → 256x (48dB)
12 → 4096x (72dB)
15 → 32768x (90dB)自动增益（AGC）：
- 目标幅度：50%满量程
- 调整速度：每秒1-2档
- 防溢出保护
output [23:0] ch1_i_component // I分量（同相）
output [23:0] ch1_q_component // Q分量（正交）
output [23:0] ch1_magnitude // 幅度 = sqrt(I^2 + Q^2)
output [15:0] ch1_phase // 相位 = atan2(Q, I)
output ch1_locked // 锁定标志
output [15:0] snr_estimate // SNR估算（0-60dB）功能：参数阈值判断，LED指示，层级化交互
1. 进入测试模式（Button[5]）
↓
2. 选择参数类型（数字键0-3）
├─ [0] 频率调整
├─ [1] 幅度调整
├─ [2] 占空比调整
└─ [3] THD调整
↓
3. 调整阈值（Button[6]/[7]）
├─ 上限/下限独立调整
└─ 步进模式：细调/中调/粗调
↓
4. 实时判断 → LED指示
├─ LED[0-3]：单项合格/不合格
└─ LED[5]：综合合格（全部通过）
| 参数 | 下限 | 上限 | 单位 |
|---|---|---|---|
| 频率 | 95000 | 105000 | Hz |
| 幅度 | 2500 | 3500 | mV |
| 占空比 | 55.0 | 65.0 | % |
| THD | - | 6.0 | % |
| 模式 | 频率步进 | 幅度步进 | 占空比步进 | THD步进 |
|---|---|---|---|---|
| 细调 | 100Hz | 10mV | 0.1% | 0.1% |
| 中调 | 1kHz | 100mV | 1.0% | 1.0% |
| 粗调 | 10kHz | 1000mV | 5.0% | 5.0% |
// 频率：6位BCD（000000-999999 Hz）
output [3:0] freq_min_d0, freq_min_d1, ..., freq_min_d5
output [3:0] freq_max_d0, freq_max_d1, ..., freq_max_d5
// 幅度：4位BCD（0000-9999 mV）
output [3:0] amp_min_d0, amp_min_d1, amp_min_d2, amp_min_d3
output [3:0] amp_max_d0, amp_max_d1, amp_max_d2, amp_max_d3
// 占空比：3位BCD（00.0-99.9%）
output [3:0] duty_min_d0, duty_min_d1, duty_min_d2
output [3:0] duty_max_d0, duty_max_d1, duty_max_d2
// THD：3位BCD（00.0-99.9%）
output [3:0] thd_max_d0, thd_max_d1, thd_max_d2功能：720p@60Hz实时显示，3种界面模式
┌────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 锁相放大结果（左上角） │
│ ┌─────────────────────┐ │
│ │ Lock-in Amp │ │
│ │ Ref: 001000 Hz │ │
│ │ Mode: DDS │ │
│ │ Mag: 0010 mV │ │
│ │ Phase: 045 deg │ │
│ │ SNR: 30 dB │ │
│ │ Status: LOCKED │ │
│ └─────────────────────┘ │
│ │
│ 参数测量表格（左侧） │
│ ┌─────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ CH1 | Freq | Ampl | Duty | THD | Wave │ │
│ │ CH2 | Freq | Ampl | Duty | THD | Wave │ │
│ │ Phase Diff: +045.0° │ │
│ └─────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ FFT频谱图（中央） │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ ▂▃▅▇█▇▅▃▂ ││
│ │ ▂▃▅▇█████████▇▅▃▂ ││
│ │ ▂▃▅▇█████████████████▇▅▃▂ ││
│ └─────────────────────────────────────────────────────────┘│
│ │
│ 自动测试界面（右下角） │
│ ┌─────────────────────┐ │
│ │ Auto Test Mode │ │
│ │ [0]Freq [1]Amp │ │
│ │ [2]Duty [3]THD │ │
│ │ [7]Exit │ │
│ │ │ │
│ │ → 频率调整界面： │ │
│ │ Freq Adjust │ │
│ │ Min: 095000 Hz │ │
│ │ Max: 105000 Hz │ │
│ │ Step: Fine │ │
│ └─────────────────────┘ │
└────────────────────────────────────────────────────────────┘
字符ROM：16×32点阵（支持ASCII 32-127）
- 字体大小：16像素宽 × 32像素高
- 字符间距：8像素
- 行间距：40像素
- 颜色：白色字符 + 半透明背景
BCD转ASCII：
function [7:0] digit_to_ascii;
input [3:0] digit;
begin
digit_to_ascii = (digit < 10) ? (8'd48 + digit) : 8'd32;
end
endfunction| 区域 | RGB值 | 用途 |
|---|---|---|
| 背景 | 24'h000000 |
黑色 |
| 表格边框 | 24'h808080 |
灰色 |
| 文字 | 24'hFFFFFF |
白色 |
| 锁相放大背景 | 24'h003300 |
深绿色 |
| 锁相放大标题 | 24'h00FF00 |
亮绿色 |
| LOCKED状态 | 24'h00FF00 |
绿色 |
| UNLOCK状态 | 24'hFF0000 |
红色 |
| FFT频谱 | 24'h00FFFF |
青色 |
BCD预计算（避免HDMI时钟域除法）：
// 在场消隐期间（h_cnt = 210-250）完成所有BCD转换
always @(posedge clk_hdmi_pixel) begin
if (h_cnt == 210) begin
// 频率BCD转换（6位）
ch1_freq_bcd <= binary_to_bcd_6digit(ch1_freq);
end
if (h_cnt == 220) begin
// 幅度BCD转换（4位）
ch1_amplitude_bcd <= binary_to_bcd_4digit(ch1_amplitude);
end
// ... 其他参数
end功能：115200bps异步串口输出，实时调试
输出示例：
[2025-11-07 14:30:15] System Init OK
[DEBUG] ADC CH1: 512, CH2: 508
[DEBUG] FFT Peak: bin=234, mag=12345, freq=999.6kHz
[DEBUG] Phase: ch1_zero=1234, ch2_zero=5678, diff=-120.5°
[DEBUG] LIA: I=1234, Q=5678, Mag=8901, Phase=45°, SNR=30dB
[INFO] Auto Test: PASS (Freq=100kHz, Amp=3V, Duty=60%)
测试条件：
- 输入信号：100kHz正弦波，3V峰峰值，无直流偏置
- 环境：室温，电源5V/2A
测量结果：
| 参数 | 测量值 | 理论值 | 误差 |
|---|---|---|---|
| 频率 | 99.98kHz | 100kHz | 0.02% |
| 幅度 | 2980mV | 3000mV | 0.7% |
| 占空比 | 50.1% | 50% | 0.1% |
| THD | 1.8% | <2% | 符合预期 |
HDMI显示界面：
┌────────────────────────────────────────┐
│ CH1 参数测量 │
│ ├─ 频率：099.98 kHz │
│ ├─ 幅度：2980 mV │
│ ├─ 占空比：50.1 % │
│ ├─ THD：1.8 % │
│ └─ 波形：正弦波 │
│ │
│ FFT频谱分析（8192点） │
│ ▂▃▅▇█▇▅▃▂ │
│ ▂▃▅▇█████████▇▅▃▂ │
│ ▂▃▅▇█████████████████▇▅▃▂ │
│ ↑ 基波 (100kHz) │
│ ↑ 2次谐波 (200kHz, -36dB) │
└────────────────────────────────────────┘
测试条件：
- 输入信号：10mV、1kHz正弦波 + 100mV白噪声
- 信噪比：约-20dB（信号淹没在噪声中）
处理流程：
-
普通测量模式（失败）：
- 频率：无法识别（FFT峰值无效） - 幅度：显示110mV（噪声幅度） - THD：>100%（无效） -
启用锁相放大（成功）：
- 参考频率：1000Hz（手动设置） - 积分时间：1秒（CIC滤波） - 锁定状态：LOCKED（绿色显示） - 解调幅度：9.8mV（与输入10mV接近） - SNR估算：-19dB（与理论-20dB吻合）
HDMI显示界面：
┌─────────────────────────────────┐
│ 🔒 Lock-in Amplifier │
│ ├─ Reference: 001000 Hz (DDS) │
│ ├─ Magnitude: 0010 mV │
│ ├─ Phase: 045.3° │
│ ├─ SNR: -19 dB │
│ └─ Status: LOCKED ✅ │
└─────────────────────────────────┘
结论：锁相放大技术成功从-20dB噪声中提取10mV微弱信号，SNR改善约35dB。
测试规范：
- 频率：100kHz ± 5kHz
- 幅度：3000mV ± 500mV
- 占空比：60% ± 5%
- THD：< 6%
测试用例：
| 用例编号 | 输入信号 | 频率判定 | 幅度判定 | 占空比判定 | THD判定 | 综合结果 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| TC01 | 100kHz, 3V, 60%, 2%THD | ✅ PASS | ✅ PASS | ✅ PASS | ✅ PASS | ✅ PASS |
| TC02 | 90kHz, 3V, 60%, 2%THD | ❌ FAIL | ✅ PASS | ✅ PASS | ✅ PASS | ❌ FAIL |
| TC03 | 100kHz, 2V, 60%, 2%THD | ✅ PASS | ❌ FAIL | ✅ PASS | ✅ PASS | ❌ FAIL |
| TC04 | 100kHz, 3V, 45%, 2%THD | ✅ PASS | ✅ PASS | ❌ FAIL | ✅ PASS | ❌ FAIL |
| TC05 | 100kHz, 3V, 60%, 8%THD | ✅ PASS | ✅ PASS | ✅ PASS | ❌ FAIL | ❌ FAIL |
LED指示：
- TC01（全部合格）：
LED[0-3]全亮 +LED[5]综合合格灯亮 - TC02-05（部分不合格）：对应LED灭 +
LED[5]综合灯灭
判断延迟：<10ms（从信号接入到LED指示）
测试条件：
- CH1：1kHz正弦波，3V
- CH2：1kHz正弦波，3V，相位滞后90°
测量结果：
┌────────────────────────────────────┐
│ 相位差测量（时域过零法） │
│ ├─ CH1频率：1000.02 Hz │
│ ├─ CH2频率：999.98 Hz │
│ ├─ 相位差：-90.2° │
│ └─ 精度：<1° │
└────────────────────────────────────┘
验证方法：
- 用示波器X-Y模式验证（显示圆形李萨如图形 → 相位差90°）
- 用信号发生器设置90°相移验证
- 测量误差：0.2°（符合<1°精度要求）
| 创新点 | 传统方案 | 本项目方案 | 优势 |
|---|---|---|---|
| FFT架构 | 双核独立处理 | 单核时分复用 | 节省50%资源 |
| 微弱信号 | 模拟锁相放大器 | 全数字锁相放大 | 无需模拟器件，SNR改善35dB |
| 时序优化 | 保守设计（低资源利用率） | LUT查找表+BCD预计算 | 91.2%资源利用率，WNS全部转正 |
| 显示系统 | VGA 480p | HDMI 720p@60Hz | 高清晰度，实时刷新 |
| 自动测试 | 单一阈值比较 | 层级化交互+步进调整 | 灵活可配置，用户友好 |
| 指标 | 本项目 | 同类FPGA方案 | 传统仪器 |
|---|---|---|---|
| 集成度 | ⭐⭐⭐⭐⭐ (6功能集成) | ⭐⭐⭐ (3功能) | ⭐⭐ (单功能) |
| 实时性 | ⭐⭐⭐⭐⭐ (10Hz更新) | ⭐⭐⭐ (5Hz) | ⭐⭐⭐⭐ (20Hz+) |
| 灵敏度 | ⭐⭐⭐⭐ (<10mV) | ⭐⭐⭐ (50mV) | ⭐⭐⭐⭐⭐ (1mV) |
| 成本 | ⭐⭐⭐⭐⭐ (<1000元) | ⭐⭐⭐⭐ (~2000元) | ⭐⭐ (数万元) |
| 可扩展性 | ⭐⭐⭐⭐⭐ (FPGA可编程) | ⭐⭐⭐⭐ | ⭐ (固定功能) |
教育场景：
- 数字信号处理（FFT、滤波器设计）
- FPGA工程实践（时钟域、资源优化）
- 测量仪器原理学习
工业应用：
- 生产线信号质量检测（自动测试功能）
- 微弱信号采集（光电检测、传感器信号）
- 多通道数据采集系统（可扩展至4/8通道）
科研场景：
- 低成本频谱分析仪
- 锁相放大器替代品
- 自定义信号处理算法验证平台
- 电源：连接5V/2A电源
- 信号输入：CH1/CH2连接信号源（0-3.3V）
- HDMI输出：连接显示器（支持720p）
- 调试串口：（可选）USB-TTL模块
| 操作 | 按键 | 说明 |
|---|---|---|
| 开始测量 | Button[0] | RUN/STOP切换 |
| 微弱信号检测 | Button[1] | 启用锁相放大 |
| 调整参考频率 | Button[2]+[6/7] | ↑增加/↓减少 |
| 自动测试 | Button[5] | 进入/退出测试模式 |
详细操作说明请参考：相位差测量快速使用指南.md
- 高精度双通道相位差测量-实现总结.md - 相位差测量算法详解
- 时域相位差测量方案.md - 时域过零检测原理
- ADC时序违例修复报告.md - 时序优化技术细节
- 相位差测量快速使用指南.md - 快速上手指南
- 高精度相位差测量实现报告.md - 精度分析报告
- 相位差模块问题检查报告.md - Bug修复记录
- signal_measure_optimization_summary.md - 性能优化总结
感谢以下支持：
- 盘古微电子：FPGA芯片和开发工具支持
- 开源社区：Verilog技术分享
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