基于FPGA的數(shù)字示波器

摘要：提出一種基于FPGA的簡易數(shù)字示波器設(shè)計(jì)方法，硬件上采用以Altera公司的EP2C8Q208CN現(xiàn)場可編程門陣列芯片作為核心器件，同時(shí)結(jié)合FPGA和NIOS軟核的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)高效的片上可編程系統(tǒng)(SoPC)對高速A／D所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速存儲和處理。整機(jī)測試表明，系統(tǒng)各功能正常，整個(gè)系統(tǒng)集成度高，體積小，可靠性高，易于程控，使用靈活。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場可編程邏輯門陣列；信號調(diào)整；高速A／D；片上可編程系統(tǒng)

    高速數(shù)字化采樣技術(shù)和FPGA技術(shù)的發(fā)展對傳統(tǒng)測試儀器的體系結(jié)構(gòu)，包括傳統(tǒng)測量方法、傳統(tǒng)儀器的定義和分類等都產(chǎn)生深刻的影響。伴隨數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字示波器展現(xiàn)了其強(qiáng)大的功能：智能捕獲、參數(shù)分析、時(shí)頻等變換處理、超大規(guī)模數(shù)據(jù)波形存儲以及數(shù)據(jù)上網(wǎng)共享等。與傳統(tǒng)模擬示波器相比，數(shù)字示波器不僅具有可存儲波形，體積小，功耗低，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有強(qiáng)大的信號實(shí)時(shí)處理分析功能。

1 系統(tǒng)組成
    設(shè)計(jì)的數(shù)字示波器總體框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)主要包括信號調(diào)理模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、控制器模塊、時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、觸發(fā)電路、數(shù)據(jù)緩存模塊、數(shù)據(jù)快速處理模塊、輸入模塊及顯示模塊?？刂破髂K由MSP430單片機(jī)組成，用來控制信號調(diào)理模塊和A／D轉(zhuǎn)換模塊以及按鍵輸入；時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊，數(shù)據(jù)快速處理模塊這三個(gè)部分在FPGA內(nèi)部完成；數(shù)據(jù)快速處理模塊是由基于FPGA的SoPC來完成的，同時(shí)SoPC還控制TFT液晶的顯示。

2 系統(tǒng)理論分析及硬件實(shí)現(xiàn)
2．1 信號調(diào)理模塊
    信號調(diào)理電路包括衰減網(wǎng)絡(luò)、電壓跟隨電路、程控放大電路和直流偏置電路等。信號調(diào)理電路框圖如圖2所示。

    為了保證輸入信號在AD芯片的參考電壓范圍內(nèi)，當(dāng)大信號輸入時(shí)，必須通過衰減網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行衰減，以滿足A／D采集電路的電壓要求。通過電阻網(wǎng)絡(luò)分壓實(shí)現(xiàn)信號的衰減，衰減倍數(shù)有1／2和1／20兩種，通過單片機(jī)控制繼電器(TQ2-5)，實(shí)現(xiàn)對兩種衰減倍數(shù)的切換；另外，電容網(wǎng)絡(luò)是進(jìn)行相位補(bǔ)償，通過可調(diào)電容可以實(shí)現(xiàn)相位的補(bǔ)償。電壓跟隨電路作為隔離級，可減小后級電路對前級電路的影響。電壓跟隨電路由TI公司的OPA656構(gòu)成，OPA656是寬帶單位增益穩(wěn)定FET輸入運(yùn)算放大器。
    程控放大電路由程控增益芯片AD603和雙通道串口數(shù)／模轉(zhuǎn)換器TLV5638組成。單片機(jī)通過控制TLV5638的通道A產(chǎn)生高精度模擬電壓，用于調(diào)節(jié)AD603的放大倍數(shù)。直流偏置電路中，單片機(jī)控制TLV5638，使其OUTB引腳輸出一個(gè)直流電壓，該電壓經(jīng)過NE5532組成的等比例反向器后接到OPA656的反向輸入端，可以通過這個(gè)電壓來確定OPA656的輸出，反映到屏幕上是波形的中線位置。如果液晶顯示的波形偏下或者偏上，可以調(diào)節(jié)TLV5638的B端輸出來調(diào)節(jié)。
2．2 采樣分析及A／D數(shù)據(jù)采集電路
    對于信號的采樣分為兩種方法，實(shí)時(shí)采樣和等效采樣。實(shí)時(shí)取樣對波形進(jìn)行等時(shí)間間隔取樣，按照取樣先后的次序進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并存入存儲器中。等效時(shí)間取樣方式是先采用“取樣技術(shù)”，將周期性的高頻信號變換成波形與其相似的周期性低頻信號，然后再做進(jìn)一步的處理，因而可以比較容易地獲得很寬的頻帶寬度。但等效時(shí)間取樣僅限于處理重復(fù)性的周期信號。圖3是實(shí)時(shí)采樣和等效采樣的對比。

    由于系統(tǒng)的最高時(shí)鐘為50MHz，綜合以上考慮和現(xiàn)實(shí)要求，該系統(tǒng)采用了等效采樣和實(shí)時(shí)采樣兩種采樣方式。當(dāng)輸入信號頻率低于10M-Hz，選用實(shí)時(shí)采樣；反之，選用等效采樣。數(shù)據(jù)采集電路中AD芯片選用TI公司的ADS830E，它是一個(gè)單通道并行8位的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率最高可達(dá)60 MHz。為了減少硬件電路的設(shè)計(jì)和消除其他信號的干擾，A／D數(shù)據(jù)采集中的采樣時(shí)鐘由FPGA提供。
2．3 單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)
    單片機(jī)控制模塊采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)。MSP430F149控制信號調(diào)理模塊以及按鍵的輸入等。
2．4 系統(tǒng)中FPGA設(shè)計(jì)
2．4．1 時(shí)鐘分頻電路設(shè)計(jì)
    該數(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。圖4是使用Verilog實(shí)現(xiàn)的分頻電路，該電路可以實(shí)現(xiàn)對50 MHz頻率的時(shí)鐘源進(jìn)行分頻。分頻比可由程序控制，從而使時(shí)鐘滿足A／D采集的需求。

2．4．2 FIFO及觸發(fā)電路設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)利用FPGA設(shè)計(jì)大小為1 024 B的FIFO，實(shí)現(xiàn)對A／D采集數(shù)據(jù)的快速存儲。A／D采集電路開啟時(shí)，F(xiàn)IFO開始存儲數(shù)據(jù)。利用FPGA設(shè)計(jì)的FIFO如圖5所示。

    當(dāng)FIFO所存儲的數(shù)據(jù)在屏幕上還原出波形時(shí)，選取一個(gè)固定的起始點(diǎn)，使后面的波形能夠連續(xù)且沒有重疊的在屏幕上顯示。這個(gè)起始點(diǎn)反映到系統(tǒng)中就是觸發(fā)信號。該系統(tǒng)中采用內(nèi)部軟件觸發(fā)方式，通過軟件設(shè)置觸發(fā)電平。所設(shè)置的施密特觸發(fā)器參數(shù)易于修改，從而抑制比較器產(chǎn)生的毛刺。當(dāng)采樣值大于觸發(fā)電平，則產(chǎn)生一次觸發(fā)。該方式充分利用了FPGA的資源，減少外圍電路，消除硬件毛刺產(chǎn)生的干擾，易于調(diào)整觸發(fā)電壓。
2．4．3 SoPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    由于采集的數(shù)字信號需要進(jìn)行高速處理，因此本設(shè)計(jì)利用了FPGA，高效的SoPC，對FIFO(數(shù)據(jù)緩存)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制TFT液晶顯示所采集信號的波形。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互、信息提示、系統(tǒng)啟動(dòng)與復(fù)位等功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖6所示，該系統(tǒng)包含采樣時(shí)鐘產(chǎn)生單元、顯存控制單元、TFT液晶顯示和可編程放大控制等模塊。Verilog可以形成原理圖，對其進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，而且SoPC配置的軟核CPU允許掛接這些單元，很容易實(shí)現(xiàn)總體功能的合理規(guī)劃。

4 系統(tǒng)測試分析
    (1)單次觸發(fā)掃描測試，觀察設(shè)計(jì)的示波器能否產(chǎn)生掃描電壓，并在信號上升沿開始顯示波形。觀察結(jié)果能夠產(chǎn)生掃描電壓，并顯示波形。
    (2)經(jīng)測量得到輸入短路時(shí)輸出噪聲的峰-峰值為1．72 mV。
    (3)100 kHz方波校準(zhǔn)信號的電壓幅值為0．308 V，誤差為0．69％。
    (4)垂直靈敏度測試。正弦信號頻率為10 kHz，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

    由表2中數(shù)據(jù)可知，測量結(jié)果都在測量誤差允許范圍內(nèi)，很好地完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。

5 結(jié)語
    該系統(tǒng)的突出特點(diǎn)采用FPGA作為核心控制器，同時(shí)結(jié)合NIOS軟核的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，系統(tǒng)總體功能完善，集成度高，全數(shù)字化，體積小，重量輕，可靠性高，易于程控，使用靈活。