數(shù)字存儲示波器的工作原理及軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計

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數(shù)字存儲示波器的工作原理及軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計

1.與傳統(tǒng)模擬示波器相比.數(shù)字存儲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，而且還具有強大的信號實時處理分析功能。在電子測量領(lǐng)域，數(shù)字存儲示波器正在逐漸取代模擬示波器。但目前我國使用高性能數(shù)字存儲示波器主要依靠國外產(chǎn)品，而且價格昂貴。因此研究數(shù)字存儲示波器具有重要價值。借于此，提出了一種簡易數(shù)字存儲示波器的設(shè)計方案，經(jīng)測試，性能優(yōu)良。

2 數(shù)字存儲示波器基本工作原理

數(shù)字存儲示波器與模擬示波器不同在于信號進入示波器后立刻通過高速A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號前端快速采樣，存儲其數(shù)字化信號。并利用數(shù)字信號處理技術(shù)對所存儲的數(shù)據(jù)進行實時快速處理，得到信號的波形及其參數(shù)，并由示波器顯示，從而實現(xiàn)模擬示波器功能，而且測量精度高。還可存儲信號，因而，數(shù)字存儲示波器可以存儲和調(diào)用顯示特定時刻信號。

3 系統(tǒng)分析論證

3.1 A/D實時采樣

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣速率必須高于2倍的信號最高頻率分量。對于正弦信號，一周期內(nèi)應有2個采樣點。為了不失真恢復被測信號，通常一周期內(nèi)需要采樣8個點以上。為了配合高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用FPGA控制M/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率，以實現(xiàn)高速實時采樣。實時采樣可以實現(xiàn)整個頻段的全速采樣，本系統(tǒng)設(shè)計選用ADI公司的12位高速A/D轉(zhuǎn)換器AD9220，其最高采樣速率可達10 MHz。

3.2 雙蹤顯示

本系統(tǒng)設(shè)計的雙蹤顯示模塊是以高速切換模擬開關(guān)選通兩路信號進入采樣電路，兩路波形存儲在同一個存儲器的奇、偶地址位。雙蹤顯示時，先掃描奇地址數(shù)據(jù)位，再掃描偶地址數(shù)據(jù)位。采用模擬開關(guān)代替一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，避免兩片高速A/D轉(zhuǎn)換器相互干擾，降低系統(tǒng)調(diào)試難度，并且實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

3.3 觸發(fā)方式

采用FPGA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。

3.4 波形顯示位置的調(diào)節(jié)

3.4.1 行掃描調(diào)節(jié)

通過控制FPGA內(nèi)部雙口RAM(1 KB)的起始地址的偏移量確定來控制波形的移動。其具體方法是將滑動變阻器R上的電平通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給FPGA，再與初始電平數(shù)字信號(顯示位置復位時，滑動變阻器R的電平采樣值)相比較決定起始地址ADR0的偏移量。該方法可易于實現(xiàn)波形滿屏和自動顯示功能。

3.4.2 列掃描調(diào)節(jié)

MAXl97采樣A、B通道的Position電位器值，所得采樣值經(jīng)FPGA送至16位串行D/A轉(zhuǎn)換器，MAX542產(chǎn)生直流電平，該直流電平與列掃描波形相加送至模擬示波器顯示，實現(xiàn)波形上下移動。為分離A、B通道，在讀A通道波形數(shù)據(jù)時，F(xiàn)PGA必須將Position A電位器的值送至D/A轉(zhuǎn)換器;而在讀B通道波形數(shù)據(jù)時，也必須將Position B電位器的值送至D/A轉(zhuǎn)換器，這樣可在調(diào)節(jié)某一電位器時，實現(xiàn)相應通道波形上下移動。

3.5 波形數(shù)據(jù)存儲

數(shù)字示波器存儲波形數(shù)據(jù)可采用外接的雙口RAM或通用靜態(tài)RAM，同時FPGA可控制RAM的地址線，從而實現(xiàn)波形數(shù)據(jù)的存儲。雙口RAM可同時進行讀寫操作，由于本系統(tǒng)設(shè)計采用FPGA，因此可充分利用FPGA的邏輯陣列和嵌入式陣列，可將雙口RAM寫入FPGA內(nèi)部，從而無需外接RAM，減少硬件電路，提高簡易數(shù)字示波器的可靠性。

4 系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)是以FPGA為核心，包括前端模擬信號處理模塊、單片機模塊、顯示模塊和鍵盤輸入模塊。而信號的前級處理模塊又包括射級跟隨器、程控放大電路、整形電路。A、B通道的信號經(jīng)前級處理變?yōu)镺～4 V，AD9220對其采樣。波形存儲控制模塊將其采樣數(shù)據(jù)寫入FPGA內(nèi)部RAM，再由波形顯示控制模塊進行顯示。FPGA通過編程設(shè)置實現(xiàn)測頻、鍵盤掃描、顯示驅(qū)動、波形存儲控制等功能。單片機AT89S52控制整個系統(tǒng)鍵盤和點陣液晶模塊實現(xiàn)人機交互。通過面板按鍵可方便調(diào)整波形顯示方式。

5 硬件電路設(shè)計

5.1 程控放大電路

采用模擬開關(guān)CD4051、寬帶運算放大器AD844及精密電位器實現(xiàn)10 mV/div～2 V/div的多檔垂直分辨率。FPGA含有通道選擇寄存器模塊，通過單片機寫入通道號控制模擬開關(guān)以選通不同的反饋電阻，實現(xiàn)不同放大倍數(shù)，將信號調(diào)理在滿足AD9220的0～4 V的范圍內(nèi)，具體電路如圖2所示。

5.2 數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)設(shè)計采用ADI公司的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9220實現(xiàn)波形信號的采集，AD9220最高采樣速率可達10 MHz，采用外部晶體振蕩器8 MHz，F(xiàn)PGA內(nèi)部通過采樣實現(xiàn)波形存儲。AD9220有直流耦合和交流耦合兩種輸入方式。本系統(tǒng)設(shè)計采用直流耦合，0~5 V的輸入方式。采用內(nèi)部2.5 V參考電壓。由于系統(tǒng)垂直分辨率只需255級，故采用AD9220的高8位。數(shù)據(jù)采集電路如圖3所示。

5.3 FPGA設(shè)計

系統(tǒng)采用Verilog HDL語言，在QuartusII軟件下對FPGA進行邏輯電路的描述編程，可靈活實現(xiàn)系統(tǒng)所需電路和控制模塊。

5.3.1 觸發(fā)模塊

單片機先向FPGA模塊寫入設(shè)置的觸發(fā)電壓，F(xiàn)PGA內(nèi)部相比較后，當采樣值大于該觸發(fā)電壓時，則產(chǎn)生一次觸發(fā)。圖4為觸發(fā)模塊。

5.3.2 程控放大控制模塊

單片機首先以100 mv/div的檔位對信號采樣，通過比較與該信號最近的模擬開關(guān)的通道號，然后寫入控制字，產(chǎn)生相應通道號，實現(xiàn)垂直分辨率的調(diào)整。

5.3.3 波形存儲控制模塊

該模塊為RAM模塊的寫地址累加器，可控制波形的存儲。H_sering為單次和多次觸發(fā)控制引腳，當為高電平時，單次觸發(fā)，停止向RAM寫入數(shù)據(jù)，所顯示波形為存儲波形;為低電平時，多次觸發(fā)，當檢測到一次觸發(fā)時，即向RAM寫一次數(shù)據(jù)，共l K個點，并在寫操作時屏蔽觸發(fā)。寫地址先寫奇地址，存入通道一采樣后的波形數(shù)據(jù)，后寫偶地址，存入通道二采樣后的波形數(shù)據(jù)。如果連續(xù)多次檢測不到觸發(fā)時，向RAM中寫入全0，顯示一條直線，即實現(xiàn)自動捕捉功能。波形存儲控制模塊如圖5所示。

5.3.4 波形顯示控制模塊

該模塊為讀地址累加器，從RAM中讀取數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生行掃描和列掃描數(shù)據(jù)。通過單片機寫入累加器基地址，改變讀取數(shù)據(jù)的起始位，實現(xiàn)波形的平移。該模塊還可計算波形的峰峰值、平均值，單片機可直接讀回數(shù)值。波形顯示控制模塊如圖6所示。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計實現(xiàn)人機交互、信息提示、系統(tǒng)啟動與復位等功能。首先系統(tǒng)初始化，顯示默認通道波形，再等待按鍵按下。當按鍵按下后，完成相應功能，顯示相應波形，然后循環(huán)等待。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖7所示。　  

7 測試結(jié)果

使用自制的數(shù)字存儲示波器和tektronix TDSl002型數(shù)字示波器測量輸入信號，其中部分測量數(shù)據(jù)如表1所列。

通過對比測試和結(jié)果分析，各種輸入信號在自制數(shù)字存儲示波器上可精確顯示波形，并且實現(xiàn)波形的雙蹤顯示及波形水平、垂直平移，頻率、平均值、峰峰值的測量，誤差小，達到一定的精度要求。

8 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計采用單片機作為核心控制器，充分利用FPGA的可編程邏輯功能，完成相關(guān)電路設(shè)計。軟硬件有機結(jié)合實現(xiàn)簡易數(shù)字存儲示波器的設(shè)計，系統(tǒng)總體功能完善，穩(wěn)定性高，使用方便。

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