基于FPGA的數字示波器設計 - 全文

　　隨著信息技術的發展，對信號的測量技術要求越來越高，示波器的使用越來越廣泛。模擬示波器使用前需要進行校正，使用比較麻煩；而數字示波器，由于受核心控制芯片的影響，對輸入信號的頻率有嚴格的限制。基于FPGA的數字示波器，其核心芯片可達到50萬門，配合高速外圍電路，可以測量頻率為1 MHz的信號，有效地克服了以往示波器的不足。

　　1 系統方案設計

　　設計的數字示波器系統主要使用了Xilinx系統的開發環境，并在此環境內部建立了AD采樣控制模塊、鍵盤控制模塊、VGA顯示模塊等多個模塊，從很大程度上減少了硬件電路的搭建，也因此提高了系統的穩定性和可靠性，系統框圖如圖1所示。

　　另外，設計使用XPS將32位的MicroBlaze微處理器嵌入到了FPGA中，實現了可編程片的嵌入以及在可編程片上的系統設計。MieroBlaze通過LBM總線訪問片上的存儲模塊BlockRAM，然后通過OPB總線上掛接外設進行接口連接和驅動。

　　VGA顯示部分采用雙緩沖機制進行工作，在FPGA內部建立RAM，按照一定時序降RAM內的緩存數據映射到VGA顯示屏上。

　　2 硬件設計

　　2.1 信號調理電路模塊

　　信號調理電路模塊，對輸入的模擬信號進行處理，由于輸入電壓幅度為-2.5～+2.5 V之間，而后一級的AD模塊采用了12位的高速A／D轉換芯片ADS804，只能對0～2 V的電壓進行模／數轉換，故需要將輸入電壓先抬升為0～5 V，在應用運算放大器進行比例縮小，達到0～2 V的模數轉換要求。

　　2.2 A／D轉換電路

　　A／D轉換模塊采用存儲采樣數據的并行數據處理方法，這樣可以使硬件電路得到最大程度的簡化，同時也提高了系統的穩定性。AD部分的采樣，選用實時采樣技術。能夠捕獲到單個信號。采樣速率為10 MHz，即在最高頻率1 MHz時，實時采樣可以在每周期采10個點以保證取到一個完整的信號波形。

　　2.3 觸發電路模塊

　　觸發電路模塊屬于外觸發，對模擬信號實現任意電平觸發，該模塊采用電壓比較器來實現單次觸發。

　　2.4 存儲模塊

　　存儲模塊包括內存儲和外存儲兩部分，使用外部電路進行搭建的為外存儲，內存儲在軟件部分進行說明。

　　外部非易失性存儲器模塊采用存儲容量為16 KB的E2PROM芯片24C128，該芯片作為手動存儲的存儲介質，從而實現掉電不丟失的設計目的。

　　2.5 VGA顯示模塊

　　VGA顯示模塊是建于FPGA內的雙緩沖機制，由嵌入的MicroBlaze軟核進行控制，能夠進行多個頁面間的切換。另外，每個界面，可以實現中文信息、彩色通道和所測輸入波形的顯示，并可控制顯示內容的顯示顏色。

　　2.6 鍵盤模塊

　　4×4矩陣鍵盤模塊實現人機交互。

　　通過鍵盤，可以對示波器的數字通道、模擬通道、混合通道、存儲、回放、波形左移、波形右移等功能進行選擇。

　　3 基于FPGA的軟件設計

　　FPGA的硬件主要包括：觸發電路模塊、數字信號發生模塊、存儲模塊、鍵盤模塊、VGA顯示模塊等5個部分，軟件流程圖如圖2所示。

　　3.1 觸發電路程序

　　AD采樣啟動后，將從AD進來的數據與觸發字進行比較，當滿足設定條件時，會產生觸發信號，此信號送到RAM控制器端。通過對外部觸發電路發出觸發信號與內部的兩路數字信號進行觸發的選擇后，RAM控制器得到觸發后將采樣數據寫入到RAM中。當RAM在進行寫數據過程中觸發信號是被抑制的；當RAM達到預觸發深度時，釋放觸發信號，等待下一次觸發的到來。

　　3.2 數竽信號發生程序

　　利用DDS的原理，在FPGA內部生成一個信號發生器。主要包括頻率控制寄存器、高速相位累加器和比較器3部分。具體做法為：使用一個表示信號平均值的數據與AD采樣得來的數據進行比較得到同頻同相的A路信號，再經由A信號觸發計數器，經過合理設置計數脈沖，得到有45°延時，占空比25％的B路信號。最后對該相位值計算數字化正弦波幅度輸出。

　　表示信號平均值的數據由MicroBlaze測量信號提供。

　　3.3 存儲程序

　　存儲模塊分RAM存儲和FLASH存儲RAM存儲使用一個雙口RAM，寫和讀分開，波形數據滿足觸發條件時送進RAM，存儲了1 024個點，其中前560組送住VGA顯示。

　　FLASH存儲完成掉電不丟失的存儲目的。20世紀使用開發板上的一塊型號為AM29LV160DB的FLASH存儲器，當按下存儲健后，FLASH把RAM中的數據寫到FLASH中，根據資料中的讀寫時序圖，使用狀態機實現這個過程，當按下回顯的按鍵時將FLASH中的數據讀回圖像顯示RAM，再顯示出來。

　　3.4 鍵盤程序

　　鍵盤采用4×4矩陣鍵盤，使用FPGA進行掃描控制，實現人機交互。

　　鍵盤子程序主要包括數字通道、模擬通道、混合通道、存儲、回放、波形左移、波形右移、垂直靈敏度檔位設置，掃描速度檔位設置等功能與按鍵的對應。

　　3.4.1 顯示分辨率分析

　　垂直方向劃分為10 div，設置3檔垂直靈敏度：1 000 mV／div，100 mV／div和10 V／div，即每div可代表1 000 mV，100 mV和10 mV。

　　A／D轉換模塊的模擬信號輸入端的輸入信號電壓為0～2 V，當示波器滿刻度顯示時，被測信號的幅度將分別為：V11=1 V／div×10 div=10 V，V12=0.1 V／div×10 div=1 V，V13=10 mv／div×10 div=100 mV。A／D轉換器的滿刻度輸入值為Vmax=2 V，程控放大器電路的增益AN=Vmax／VIn，其中N=1，2，3，對應于3檔不同垂直靈敏度的增益分別為：A1=2／10=0.2；A2=2／1=2；A3=2／0.1=20。

　　A／D轉換器的滿刻度輸入值為Vmax=5 V《10 V，將AD采樣的值和數字信號的值據當前檔位進行計數存儲，即1μs／div時每10個點保存一個，1 ms，／div時每10 000個點保存一個，1 s／div時每采樣10 000 000個點保存一個。

　　3.4.2 掃描速率分析

　　A／D的轉換速率取決于被測信號的頻率范圍，或DSO對掃描速度的要求，設計掃描速度含1 ms／div，1μs，／div，1 s／div三檔，通過FPGA內部建立分頻電路實現了最高采樣率16 MS／s，每10倍頻步進，共六檔，增加了該示波器的實用性。水平顯示分辨率為64點／div，以保證顯示波形清晰穩定。

　　3.5 VGA顯示部分

　　VGA顯示模塊使用雙緩沖機制，軟核MicroBlaze通過讀寫顯存來控制VGA顯示。VGA顯示可顯示3種顏色，利用了SOPC的優勢。GRAM位寬32b，大大提高了FPGA刷屏的速度。vga_dn與GRAM對內嵌的MCU設計成為BlackBox，MCU只需向相應地址發送合適數據即可顯示想要的波形。本設計主要實現了的顯示為：底色，漢字，示波器的顯示框，波形數據。通過取字摸的方式，可在顯示屏上顯示中文信息。當部分的數據進行綜合時，這幾部分的數據各自有不同的優先級，當多部分重疊時，根據優先級顯示出來。

　　4 總體效果

　　圖3為同時顯示2個數字通道和1個模擬通道的界面，通道1（CH1）為模擬通道，通道2（CH2）和通道3（CH3）為數字通道，輸入信號為一正弦波，峰一峰值為1.2 V，通道2，設定輸入信號信號電壓大于0為高電平，反之為低電平，故通道2為占空比為50％的矩形波。通道3設定輸入信號大于3.3 V為高電平，反之為低電平，故在本圖上通道3為占空比約為25％的矩形波。由圖可知觀察值與計算值相符。