基于FPGA的簡易可存儲(chǔ)示波器設(shè)計(jì)

摘要：　本文介紹了一種基于FPGA的采樣速度60Mbit/s的雙通道簡易數(shù)字示波器設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)量程和采樣頻率的自動(dòng)調(diào)整、數(shù)據(jù)緩存、顯示以及與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；數(shù)字示波器；FPGA

引言

　　傳統(tǒng)的示波器雖然功能齊全，但是體積大、重量重、成本高、等一系列問題使應(yīng)用受到了限制。有鑒于此，便攜式數(shù)字存儲(chǔ)采集器就應(yīng)運(yùn)而生，它采用了LCD顯示、高速A/D采集與轉(zhuǎn)換、ASIC芯片等新技術(shù)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和巨大的市場潛力，也代表了當(dāng)代電子測量儀器的一種發(fā)展趨勢，即向功能多、體積小、重量輕、使用方便的掌上型儀器發(fā)展。

系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及工作原理

　　系統(tǒng)的硬件部分為一塊高速的數(shù)據(jù)采集電路板。它能夠?qū)崿F(xiàn)雙通道數(shù)據(jù)輸入，每路采樣頻率可達(dá)到60Mbit/s。從功能上可以將硬件系統(tǒng)分為：信號前端放大及調(diào)理模塊、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、FPGA邏輯控制模塊、單片機(jī)控制模塊、USB數(shù)據(jù)傳輸模塊、液晶顯示和鍵盤控制等幾部分，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

　
　　　　圖1  系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

　　輸入信號經(jīng)前置放大及增益可調(diào)電路轉(zhuǎn)換后，成為符合A/D轉(zhuǎn)換器要求的輸入電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，由FPGA內(nèi)的FIFO緩存，再經(jīng)USB接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，供后續(xù)數(shù)據(jù)處理，或直接由單片機(jī)控制將采集到的信號顯示在液晶屏幕上。

高速數(shù)據(jù)采集模塊

　　本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)雙通道同步數(shù)據(jù)采集，而且每通道的采集速度要達(dá)到60Mbit/s，考慮到兩路數(shù)據(jù)采集應(yīng)保持同步并行，因此在設(shè)計(jì)中采用每通道都有獨(dú)自的采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器。選用MAXIM公司MAX1197型A/D轉(zhuǎn)換器，它是一款雙通道、3.3V供電、每通道60Mbit/s采樣頻率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片。它內(nèi)部集成雙路差分寬帶采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，可以輸出鎖存，具有低功耗、小尺寸、高動(dòng)態(tài)性能的特點(diǎn)。

　　本系統(tǒng)的測量電壓的范圍可達(dá)到±300V，采用示波器探頭和電路板上分壓的方法將輸入信號先進(jìn)行1:1或10:1或100:1衰減，然后再通過后續(xù)電路處理以滿足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍要求。

　　被測信號通過通用探頭和分壓器得到的輸出信號，由于輸出阻抗較高，需要經(jīng)過阻抗變換成為低的輸出阻抗，以保持信號的完整性。同時(shí)，對于一個(gè)系統(tǒng)來講，過載是不可避免的，在過載情況下，如果沒有保護(hù)，器件很容易損壞。因此，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了由二極管和電阻構(gòu)成的過載保護(hù)電路，將輸入信號限制在±4.8V的范圍之間。對于阻抗變換，選擇ADI公司的高性能FET輸入單電壓反饋放大器AD8065芯片，構(gòu)成跟隨器來實(shí)現(xiàn)阻抗變換。經(jīng)過阻抗變換的信號，還要通過增益調(diào)節(jié)，在能使輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的電壓滿足A/D的輸入電壓要求，采用模擬開關(guān)和寬帶精密放大器配合，由模擬開關(guān)選通不同的接入電阻值，從而實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù)，達(dá)到程控放大的目的。增益調(diào)節(jié)電路如圖2所示，輸入保護(hù)及阻抗變換電路如圖3所示。

　
　　　　圖2  增益調(diào)節(jié)電路

　
　　　　圖3 輸入保護(hù)及阻抗變換電路

FPGA控制單元

　　可編程邏輯器件FPGA是一種半定制的ASIC，它允許電路設(shè)計(jì)者自行編程實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用的功能。本設(shè)計(jì)采用了原理圖輸入和VHDL語言輸入兩種不同的方法，控制單元承載了大部分控制任務(wù)，為各個(gè)功能模塊提供相應(yīng)的控制信號以確保整個(gè)系統(tǒng)工作的正確性。具體實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)方面的功能：

　　分頻電路及產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換器的控制信號

　　本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有比較寬的測量范圍，在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)分頻電路，用來實(shí)現(xiàn)針對不同頻率的被測信號選擇不同的采樣頻率，確保采集數(shù)據(jù)更加精確。分頻單元采用圖形輸入方法實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。在圖4中，利用T觸發(fā)器在輸入為1時(shí)，每個(gè)時(shí)鐘沿到來時(shí)輸出會(huì)發(fā)生跳變來實(shí)現(xiàn)分頻的。同時(shí)我們可以看出，T觸發(fā)器的輸入是有一些邏輯組合構(gòu)成的，這就構(gòu)成了門控時(shí)鐘。對于門控時(shí)鐘，仔細(xì)分析時(shí)鐘函數(shù)，以避免毛刺的影響。而門控時(shí)鐘在滿足以下兩個(gè)條件時(shí)，則可保證時(shí)鐘信號不出現(xiàn)危險(xiǎn)的毛刺，門控時(shí)鐘可以像全局時(shí)鐘一樣可靠的工作。

　　·驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的邏輯必須只包含一個(gè)“與”門或一個(gè)“或”門。如果采用任何附加邏在某些工作狀態(tài)下，會(huì)出現(xiàn)競爭產(chǎn)生的毛刺。

　　·邏輯門的一個(gè)輸入作為實(shí)際的時(shí)鐘，而該邏輯門的所有其它輸入必須當(dāng)成地址或控制線，它們遵守相對于時(shí)鐘的建立和保持時(shí)間的約束。

　　對于本設(shè)計(jì)中的A/D轉(zhuǎn)換器，其控制信號只有兩個(gè)：時(shí)鐘輸入信號CLK和使能輸出信號OE。CLK信號直接通過有源晶振輸入60M的信號，而OE信號則通過FPGA內(nèi)部將和CLK同頻同相的時(shí)鐘信號反相后得到，這樣剛好可以滿足A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)序關(guān)系。

　
　　　　圖4  分頻電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　
　　　　圖5 分頻電路和頻率選擇電路符號圖

　　上述分頻電路和頻率選擇電路及A/D轉(zhuǎn)換器的控制信號產(chǎn)生電路在頂層生成了相對應(yīng)的邏輯符號如圖5所示。

　　FIFO功能單元設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的A/D采樣速率比較高，采樣周期達(dá)到16.7ns，而選用的華邦公司單片機(jī)77E58，在晶振40MHz的讀寫周期是100ns，而且總線的傳輸速率又比較低，因此兩者在速度上無法匹配。在這種情況下，必須要在高速采集和低速處理之間建立相應(yīng)的緩沖途徑才能保證系統(tǒng)的正常工作。為此在A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)處理器中間加入一個(gè)先入先出式緩沖器(FIFO)，以緩解高速信號和低速設(shè)備之間的接口矛盾。本設(shè)計(jì)中利用EP1K50QC208中自帶的EAB(嵌入式邏輯塊)，通過Quartus II中的LPM工具直接生成兩個(gè)512*8位的FIFO，作為兩路A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)緩沖。Quartus II中產(chǎn)生的圖形符號和其時(shí)序波形圖形如圖6所示。FIFO的輸入信號有數(shù)據(jù)輸入信號，直接和A/D轉(zhuǎn)換器的輸入相連下；寫信號和寫使能信號，寫信號和上述頻率選擇信號相連，可以以合適的速率將數(shù)據(jù)寫入FIFO，寫使能設(shè)置為永遠(yuǎn)有效；讀信號和讀使能信號，這都有單片機(jī)發(fā)出的控制信號給出；異步清零信號則在每次寫FIFO前將其清空。輸出信號有數(shù)據(jù)信號，和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線相連，傳送數(shù)據(jù)；滿標(biāo)志信號，當(dāng)有效時(shí)停止對FIFO的寫操作；空標(biāo)志信號，當(dāng)有效時(shí)停止對FIFO的讀操作。

　
　　　　圖6  FIFO圖形符號和其時(shí)序波形圖

　
　　　　圖7 測頻模塊的符號圖

　　頻率測量模塊設(shè)計(jì)

　
　　　　圖8  雙通道波形顯示
　
　　頻率測量模塊在本系統(tǒng)中起著非常重要的作用，它不僅決定著采樣頻率，還決定液晶顯示屏幕的基本時(shí)間基準(zhǔn)。測量頻率其實(shí)就是單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，測頻模塊的具體設(shè)計(jì)思路為：首先將A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過一個(gè)比較器得到測頻脈沖，由于本設(shè)計(jì)中的A/D將0V電壓轉(zhuǎn)換為0x80，為避免在0V附近的小信號振蕩造成測頻誤差，將比較器的固定比較值設(shè)定為0x88。然后將測頻脈沖通過一個(gè)D觸發(fā)器同步后便開始計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)過程中為避免尖脈沖或毛刺信號造成對計(jì)數(shù)的影響，根據(jù)上次測頻的結(jié)果選擇合適的過濾脈寬，即比給定脈沖寬度小的信號脈沖將不會(huì)被計(jì)數(shù)，提高了整個(gè)測量的精度。整個(gè)測頻模塊的符號圖如圖7所示。在圖7中，compare為比較模塊，然后經(jīng)過觸發(fā)器同步后，通過脈寬過濾模塊(FreLatch1)后到計(jì)數(shù)測頻模塊(MeasureFrequency),測量得到的數(shù)據(jù)通過八位寄存器counter_out1、counter_out2和counter_out3輸出。OneSecondPulse模塊為產(chǎn)生1s脈沖的模塊，為計(jì)數(shù)提供基準(zhǔn)參考脈沖。

液晶顯示及鍵盤模塊

　　在本次設(shè)計(jì)中，我們選用內(nèi)置SED1335控制器的液晶顯示模塊MS320240B，分辨率為320*240。不僅可以單獨(dú)的進(jìn)行文本顯示或圖形顯示，還可以進(jìn)行圖形文本合成方式顯示。在本系統(tǒng)中能夠把被測信號的波形、兩個(gè)游標(biāo)與波形相交點(diǎn)的電壓值及時(shí)間值顯示在液晶屏上。在液晶屏的顯示如圖8所示。

　　在實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信功能的單片機(jī)通信輸入設(shè)備中，最簡單的是由按鍵組成的開關(guān)矩陣構(gòu)成的鍵盤，它隨時(shí)可以發(fā)出各種控制命令和進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。通常按鍵所用為機(jī)械開關(guān)，有很多缺點(diǎn)，主要是按鍵被按下或彈起時(shí)都會(huì)有輕微的抖動(dòng)，抖動(dòng)時(shí)間和開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般為5ms~10ms。為了避免在抖動(dòng)期間掃描鍵盤得到錯(cuò)誤的行值和列值，一般在檢測到有鍵按下后延時(shí)10ms再進(jìn)行掃描。在本設(shè)計(jì)中，采用一個(gè)3*8的行列式鍵盤，發(fā)出各種命令來對采集器進(jìn)行類似于示波器按鈕的操作。

　
　　　　圖9 簡易示波器的上位機(jī)控制面板

USB通信單元

　　本次設(shè)計(jì)采用Cypress公司的CY7C68013芯片實(shí)現(xiàn)USB傳輸模塊的設(shè)計(jì)，CY7C68013是符合USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的芯片。通過USB總線把采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳遞給計(jì)算機(jī)，便于上位機(jī)也可以實(shí)時(shí)的顯示波形，還可以很方便的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　在上位機(jī)中利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和圖形環(huán)境，建立圖形化的軟面板來替代常規(guī)的儀器控制面板。軟面板上具有與實(shí)際儀器相似的開關(guān)、指示燈及其它控制部件。用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤操作軟面板，檢驗(yàn)儀器的性能和可操作性。同時(shí)，用戶不用編寫測試程序， 就可以可進(jìn)行測試、測量，實(shí)現(xiàn)了測試的自動(dòng)化、智能化。

　　在本設(shè)計(jì)中采用LabVIEW編寫上位機(jī)圖應(yīng)用程序。簡易示波器的上位機(jī)控制面板如圖9所示，它主要實(shí)現(xiàn)雙通道波形顯示功能。顯示面板采用游標(biāo)來進(jìn)行電壓和時(shí)間的測量，可以減小人為的讀數(shù)誤差提高測量準(zhǔn)確度。當(dāng)兩個(gè)通道同時(shí)顯示時(shí)，可以通過前面板上的“當(dāng)前通道選擇”按鈕來選擇要顯示的通道的參數(shù)。RUN/STOP按鍵能夠啟動(dòng)和停止數(shù)據(jù)采集顯示模塊，便于操作和讀數(shù)。前面板還帶有拖拉和縮放按鈕，方便查看圖形。

結(jié)語

　　本文是基于FPGA的簡易數(shù)字示波器系統(tǒng)的硬件/軟件的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方案。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，測試表明系統(tǒng)可以將采集到的數(shù)據(jù)通過軟件程序控制轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的波形顯示出來，顯示的波形和輸入信號的波形基本一致，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、緩存、傳輸及波形顯示等便攜式采集系統(tǒng)的基本功能，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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