基于microblaze的手持示波函數(shù)表

　　一、項目概述

　　1.1 引言

　　示波器自1933年誕生至今已經(jīng)有70多年的歷史。它是電子電路設(shè)計人員用來觀察波形的主要工具，它可以讓設(shè)計人員直觀的看到所要觀測到的波形。因此，示波器在信號觀測領(lǐng)域一直都扮演著非常重要的角色。傳統(tǒng)的模擬示波器信號帶寬頻率受到陰極射線管的限制而不可能太高，難以測量慢速信號或單次瞬變信號，預觸發(fā)功能難以實現(xiàn)和不便對波形數(shù)據(jù)進行數(shù)字處理分析等等，因而在許多應(yīng)用領(lǐng)域中存在著局限性。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，單次信號的捕捉，測量和研究越來越受到人們的關(guān)注和重視，在信息領(lǐng)域、高速計算機、高速數(shù)據(jù)通信和高速數(shù)字集成電路及其系統(tǒng)內(nèi)，面臨著硬件、軟件、以及由軟硬件共同作用而產(chǎn)生的偶發(fā)性故障，迫切需要更高速的示波器才能得心應(yīng)手的解決這些難題。隨著數(shù)字集成電路和高性能微處理器技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字存儲示波器(DSO)出現(xiàn)了。數(shù)字存儲示波器整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)全部由微處理器在相應(yīng)的軟件支持下自動進行，包括自動設(shè)置、自動測量、自動校正、波形存儲、計算機I/O和打印輸出等一系列優(yōu)點。數(shù)字存儲示波器的出現(xiàn)開創(chuàng)了示波器的新紀元，它為示波器的智能化打下了堅實的基礎(chǔ)，同時它還標志著示波器的發(fā)展進入了一個新的時代。

　　與此同時，波形發(fā)生器也是電子工程人員不可或缺的一種工具，常被稱作信號發(fā)生器，在教學實驗或?qū)嶋H工作中作為信號源為電路提供所需的激勵信號，因而是一種必不可少的工具。現(xiàn)代新型信號發(fā)生器的研制都采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)進行，這種技術(shù)是第三代頻率合成技術(shù)的標志，主要特點是計算機參與頻率合成，既可以用軟件來實現(xiàn)，也可以用硬件來實現(xiàn)，或者二者結(jié)合。

　　本設(shè)計研制的多用手持示波函數(shù)表基于美國ADI公司實驗室電路CN0002和CN0156。CN0002提供了示波器的AD采集端電路，CN0156提供了函數(shù)發(fā)生器的解決方案，把兩種實驗室電路通過FPGA加以結(jié)合，制作出一種方便且便于攜帶的手持表。

　　1.2 項目背景/選題動機

　　現(xiàn)在市面上的大多數(shù)示波器都是臺式的，體形過于龐大和笨重，難以攜帶，對于狹小的場合應(yīng)用很不方便，在高空作業(yè)和其他特殊場合的應(yīng)用受到很大的限制，加上價格昂貴，動輒幾千上萬甚至數(shù)萬元的價格不是每個人都能接受的，另外市面上手持示波表較少，并且功能單一，價格高昂，大部分采樣率等較低，實際應(yīng)用價值不大。

　　本項目就是基于這種背景下開展的，采用美國ADI公司實驗室電路CN0002和CN0156作為平臺來進行開發(fā)，可以充分發(fā)揮相關(guān)芯片的最優(yōu)性能，使得該表性能可以得到一定的保證，并且?guī)в幸欢l率的波形發(fā)生器功能，使得該示波函數(shù)表不僅具有示波器功能，還集成了信號發(fā)生器的功能。

　　二、需求分析

　　2.1 功能要求

　　設(shè)計一個能夠正確顯示波形并且能夠觀察波形參數(shù)的，沒有較大失真的，且?guī)в幸欢l率的正弦波，方波，三角波輸出功能的，便攜的，帶有一定的鋰電管理能力的示波函數(shù)表。

　　2.2 性能要求

　　示波函數(shù)表要求示波器部分實時采樣率能夠達到125MSPS,模擬帶寬在30M以上，能夠產(chǎn)生幅度為可以達到5V，頻率可以達到14MHZ，分辨率在0.1%的正弦波，三角波和方波。

　　三、方案設(shè)計

　　3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

　　下面就各個模塊電路做以簡單介紹

　　1.程控放大電路和電源電路：

　　程控放大器的作用是對輸入信號進行衰減或放大調(diào)整，使輸出信號電壓在AD轉(zhuǎn)換器輸入電壓要求范圍內(nèi)，達到最好的測量與觀察效果，所以程控放大器電路在規(guī)定帶寬內(nèi)的增益一定要平坦，故對運算放大器的要求比較高。

　　而數(shù)字示波器中最重要的電路是AD轉(zhuǎn)換電路，它的作用是將被測信號采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號存入存儲器，說它是數(shù)字示波器的咽喉一點也不為過，因為它直接決定著數(shù)字示波器所能測量的最高頻率，根據(jù)乃奎斯特定理，采樣頻率至少是被測信號最高頻率的2倍才能復現(xiàn)出被測信號。而在數(shù)字示波器中采樣頻率至少應(yīng)該是被測信號頻率的5~8倍才行，否則根本觀察不到信號的波形。

　　本文的電路選用CN0002中的AD8376和AD9445組合來實現(xiàn)上述功能， 該電路采用雙通道、數(shù)字可編程、超低失真、高輸出線性度、可變增益放大器(VGA) AD8376和高速ADC，可提供高性能、高頻采樣，該電路中 AD8376 VGA，能夠為AD9445等高速ADC提供可變增益、隔離和源阻抗匹配。在高帶寬時候可以達到比較好的性能，所以應(yīng)該可以滿足需求。

　　2.信號發(fā)生原理DDS介紹

　　DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形。DDS的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理可用圖1來表示。

　　相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯(lián)構(gòu)成。每來一個時鐘脈沖fs，加法器將頻率控制字K與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個時鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進行線性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一個時鐘脈沖輸入時，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。 用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器(ROM)的相位取樣地址，這樣就可把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值(二進制編碼)經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。波形存儲器的輸出送到D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號。最后用低通濾波器濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。

　　本文的電路選用CN0156提供的方案，實現(xiàn)波形發(fā)生器的幅度調(diào)節(jié)，然后通過低通濾波器，把多余的雜波濾掉，最后利用運算放大器進行放大，使得電壓符合要求，然后輸出，另外通過檢波電路輸入到FPGA,進行閉環(huán)的調(diào)整。

　　3.4 系統(tǒng)軟件流程

　　3.5 系統(tǒng)預計實現(xiàn)結(jié)果

　　制作一個實時采樣率可以達到100MSPS，模擬帶寬可以達到30M以上，帶有一定存儲深度，顯示波形不失真，能夠顯示任意波形和產(chǎn)生頻率可達到14MHZ，頻率分辨率為0.1%，輸出的電壓幅度為0V~5V的三角波，正弦波，方波信號的手持的，便攜的示波表。