基于FPGA數(shù)字可存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙新穎 羅 坤

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052)

數(shù)字示波器具有體積小、攜帶方便、操作簡單、功能強(qiáng)大、準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的受到使用者的青睞，是目前示波器的一個(gè)發(fā)展方向。FPGA技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持。通過自行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)數(shù)字可存儲(chǔ)示波器，不僅可以滿足教學(xué)需求，而且還可以節(jié)約成本。因此設(shè)計(jì)了基于FPGA技術(shù)的數(shù)字可存儲(chǔ)示波器。

1 設(shè)計(jì)要求及方案設(shè)計(jì)

對(duì)數(shù)字可存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)要求有:以實(shí)時(shí)采樣速率為1MHz的ADC實(shí)現(xiàn)最大200MHz的等效采樣;10Hz～10MHz的信號(hào)帶寬;10mV～8V的幅度動(dòng)態(tài)范圍。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字可存儲(chǔ)示波器，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用ARM單片機(jī)和FPGA作為數(shù)據(jù)處理和控制核心，將設(shè)計(jì)任務(wù)劃分為前級(jí)通道信號(hào)調(diào)理、觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生、保持與采樣、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)、波形顯示、控制面板等功能模塊。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

其中FPGA模塊完成頻率計(jì)算、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳送數(shù)據(jù)功能。

2 技術(shù)指標(biāo)計(jì)算

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集采用的是等效采樣實(shí)行方式，它一般有順序等效采樣和隨機(jī)等效采樣兩種。其中順序采樣要求能夠精確地測(cè)出輸入信號(hào)的頻率，而在現(xiàn)今的數(shù)字示波器中，大多數(shù)采用的是隨機(jī)等效采樣技術(shù)。本系統(tǒng)采用順序等效采樣來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。順序等效時(shí)間采樣的基本原理是，每一個(gè)周期只采樣一個(gè)點(diǎn)或多個(gè)點(diǎn)，每次觸發(fā)后等待△t個(gè)時(shí)間差，然后啟動(dòng)AD采集數(shù)據(jù)。將采集到的這些點(diǎn)組合起來就描繪了一個(gè)完整的波形。所以這就要求每次的觸發(fā)點(diǎn)必須穩(wěn)定。等待△t個(gè)時(shí)間單位后，F(xiàn)PGA必須以足夠的速度啟動(dòng)AD采集數(shù)據(jù)，所以這就要求FPGA時(shí)鐘必須在200M以上。

2.2 垂直靈敏度

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，垂直分辨率為8bits，顯示屏的垂直刻度為8div，因此使用8位A/D便可滿足要求，即垂直方向共256點(diǎn)，顯示分辨率為32點(diǎn)/div。其中ADC的參考電壓為5V，則示波器幅度軸上的8div對(duì)應(yīng)著峰－峰值為5V的信號(hào)，即0.625V/div，由此可以計(jì)算出每一檔的垂直靈敏度所對(duì)應(yīng)的信號(hào)放大倍數(shù)，如表1所示。

表1 垂直靈敏度與信號(hào)放大倍數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)不同的檔位選擇，即通過單片機(jī)內(nèi)置的D/A輸出不同的直流電壓，來控制AD603的放大倍數(shù)，以完成信號(hào)的放大需求。

2.3 掃描速度

設(shè)計(jì)要求水平顯示分辨率至少為20點(diǎn)/div，則存儲(chǔ)深度M應(yīng)至少為200點(diǎn)。在固定的存儲(chǔ)深度下，采樣率fs與掃描速度S成反比，即10*S*fs=M，系統(tǒng)取M=200，則fs=20/S。系統(tǒng)設(shè)定的掃描速度從100ns/div～200ms/div，總共20檔，則可以計(jì)算出每一檔的掃描速度所對(duì)應(yīng)的采樣速率如表2所示。

表2 掃描速度與采樣率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

題目要求A/D轉(zhuǎn)換器的最高采樣速率限定為1MHz，由表2可知，掃描速度高于20μs/div的檔位都應(yīng)該使用等效采樣。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 輸入通道調(diào)理電路

系統(tǒng)采用兩片AD603級(jí)聯(lián)以完成信號(hào)的調(diào)理。AD603在90MHz的帶寬下增益范圍為－11dB～+31dB，兩級(jí)級(jí)聯(lián)后增益可達(dá)－20dB～+60dB，完全可以滿足對(duì)小信號(hào)的放大功能。但是，AD603的輸入阻抗只有100Ω，所以在前面用AD8058搭接了一個(gè)電壓跟隨器，提高其輸入阻抗，以滿足儀器輸入阻抗為1MΩ的設(shè)計(jì)要求。而且AD603對(duì)小信號(hào)的放大和衰減基本呈線性。

3.2 數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)電路

設(shè)計(jì)要求A/D轉(zhuǎn)換器的最高采樣速率限定為1MHz，而且垂直分辨率為8bit，我們選用的是TLC公司的8位并行輸出A/D轉(zhuǎn)換器芯片TLC5510，其最高采樣頻率為1MHz，參考電壓為5V，采用單電源供電，輸入信號(hào)電壓范圍為0.5～2.5。A/D轉(zhuǎn)換器原理圖如圖2所示。

圖2 A/D轉(zhuǎn)換器原理圖

3.3 觸發(fā)電路

觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生與信號(hào)相關(guān)的脈沖信號(hào)，讓采樣電路與輸入信號(hào)同步，以穩(wěn)定顯示的波形。設(shè)計(jì)要求為內(nèi)觸發(fā)方式，為上升沿觸發(fā)且觸發(fā)電平可調(diào)。此電路的核心是比較電路。比較器采用高速比較器AD8564，該芯片具有7ns的傳播延時(shí)和3ns的上升、下降建立時(shí)間，將其接成反相遲滯比較器形式，可以處理1Hz到20MHz的信號(hào)，而且無明顯抖動(dòng)，通過改變參考電平值可以達(dá)到改變觸發(fā)電平的目的。由于將電路接成反相比較器形式，所以觸發(fā)信號(hào)在FPGA內(nèi)部還應(yīng)通過一個(gè)反相器，以實(shí)現(xiàn)上升沿觸發(fā)。觸發(fā)電路如圖3所示。

圖3 觸發(fā)電路

3.4 電位提升電路

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)電位提升電路的原因是若AD采集數(shù)據(jù)的電壓范圍與輸入信號(hào)的電壓范圍不一致將會(huì)使AD無法正常采集一個(gè)完整周期的波形，所以在系統(tǒng)中采用了加法電路。本系統(tǒng)中用AD8058搭接了一個(gè)加法器，通過調(diào)節(jié)加法器直流電平的輸入可以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與直流電平的疊加，最終使AD采集的數(shù)據(jù)在一個(gè)合適的電平基礎(chǔ)之上。電位提升電路圖如圖4所示。

圖4 電位提升電路圖

3.5 程控放大電路與DA的設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)波形在液晶屏幕上放大或縮小就必須引入程控放大，使AD采集的數(shù)據(jù)幅值不同。程控放大采用壓控方式，通過改變DA輸出模擬量的大小來改變成空放大器的放大倍數(shù)。

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分有FPGA程序設(shè)計(jì)和STM32程序設(shè)計(jì)，以配合硬件完成系統(tǒng)功能。其中FGPA主要是控制采樣保持電路及A/D轉(zhuǎn)換器，存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。同時(shí)還承擔(dān)了測(cè)頻的任務(wù)。放大電路的控制、波形顯示及操作界面的管理則是由STM32完成的。圖5所示為整個(gè)系統(tǒng)原理圖。

圖5 系統(tǒng)原理圖

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及分析

系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)計(jì)制作完成后，用F40型數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器和TDS1012B型100MHz數(shù)字存儲(chǔ)示波器主要對(duì)其掃描速度和垂直靈敏度分別進(jìn)行了測(cè)試，其中掃描速度實(shí)在垂直靈敏度為0.1V/div測(cè)試條件下，用信號(hào)源輸出峰峰值為0.4V，不同頻率的正弦波，用本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)垂直靈敏度的測(cè)試是在信號(hào)源輸出1KHz，幅度不同的正弦波條件下，用本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

其中“?”表示信號(hào)噪聲較大，無法用TDS1012B示波器精確測(cè)量，誤差部分是參考TDS1012B的測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算的。

表4 垂直靈敏度測(cè)試數(shù)據(jù)

此系統(tǒng)的其他功能，如:波形存儲(chǔ)功能及回放、連續(xù)觸發(fā)、觸發(fā)沿選擇、方波校準(zhǔn)信等經(jīng)測(cè)試證明均能正常工作。

測(cè)試結(jié)果中低頻信號(hào)的幅度誤差較大，經(jīng)分析得知是由于電路各級(jí)間采用了交流耦合，從而導(dǎo)致了低頻信號(hào)的衰減。

6 結(jié)論

本系統(tǒng)完成了設(shè)計(jì)的基本要求。采用順序等效采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)了200MHz的等效采樣，使用AD603的電路設(shè)計(jì)方案不僅使電壓放大及測(cè)量非常準(zhǔn)確，而且也提高了示波器的垂直靈敏度。但是，系統(tǒng)也存在許多不足之處，尤其體現(xiàn)在系統(tǒng)未能采用等效采樣技術(shù)很好的測(cè)量出頻率高于4MHz的信號(hào)。而且諸多功能，如:自動(dòng)測(cè)量、多種觸發(fā)方式、FFT尚需后期增加補(bǔ)充完成。

［1］張義和.例說8051單片機(jī)［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［2］馬忠梅.單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］.北京:人民航空航天出版社，2003.

［2］夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程［M］.北京:人民航空航天出版社，2008.

［4］孫建設(shè).模擬電子技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［5］周興華.手把手教你學(xué)單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)［M］.北京:人民航空航天出版社，2007.