摘要：本文介紹了一種基于FPGA的采樣速度60Mbit/s的雙通道簡易數字示波器設計，能夠實現量程和采樣頻率的自動調整、數據緩存、顯示以及與計算機之間的數據傳輸。
關鍵詞：數據采集；數字示波器；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、等一系列問題使應用受到了限制。有鑒于此，便攜式數字存儲采集器就應運而生，它采用了LCD顯示、高速A/D采集與轉換、ASIC芯片等新技術，具有很強的實用性和巨大的市場潛力，也代表了當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)組成結構及工作原理
系統(tǒng)的硬件部分為一塊高速的數據采集電路板。它能夠實現雙通道數據輸入，每路采樣頻率可達到60Mbit/s。從功能上可以將硬件系統(tǒng)分為：信號前端放大及調理模塊、高速模數轉換模塊、FPGA邏輯控制模塊、單片機控制模塊、USB數據傳輸模塊、液晶顯示和鍵盤控制等幾部分，其結構形式如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)原理結構圖
輸入信號經前置放大及增益可調電路轉換后，成為符合A/D轉換器要求的輸入電壓，經A/D轉換后的數字信號，由FPGA內的FIFO緩存，再經USB接口傳輸到計算機中，供后續(xù)數據處理，或直接由單片機控制將采集到的信號顯示在液晶屏幕上。
高速數據采集模塊
本系統(tǒng)可實現雙通道同步數據采集，而且每通道的采集速度要達到60Mbit/s，考慮到兩路數據采集應保持同步并行，因此在設計中采用每通道都有獨自的采樣保持器和A/D轉換器。選用MAXIM公司MAX1197型A/D轉換器，它是一款雙通道、3.3V供電、每通道60Mbit/s采樣頻率的模數轉換器芯片。它內部集成雙路差分寬帶采樣保持器和A/D轉換器，可以輸出鎖存，具有低功耗、小尺寸、高動態(tài)性能的特點。
本系統(tǒng)的測量電壓的范圍可達到±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，需要經過阻抗變換成為低的輸出阻抗，以保持信號的完整性。同時，對于一個系統(tǒng)來講，過載是不可避免的，在過載情況下，如果沒有保護，器件很容易損壞。因此，系統(tǒng)中設計了由二極管和電阻構成的過載保護電路，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，構成跟隨器來實現阻抗變換。經過阻抗變換的信號，還要通過增益調節(jié)，在能使輸入到A/D轉換器的電壓滿足A/D的輸入電壓要求，采用模擬開關和寬帶精密放大器配合，由模擬開關選通不同的接入電阻值，從而實現不同的放大倍數，達到程控放大的目的。增益調節(jié)電路如圖2所示，輸入保護及阻抗變換電路如圖3所示。
圖2 增益調節(jié)電路
圖3 輸入保護及阻抗變換電路
FPGA控制單元
可編程邏輯器件FPGA是一種半定制的ASIC，它允許電路設計者自行編程實現特定應用的功能。本設計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，為各個功能模塊提供相應的控制信號以確保整個系統(tǒng)工作的正確性。具體實現如下幾個方面的功能：
分頻電路及產生A/D轉換器的控制信號
本數據采集系統(tǒng)，具有比較寬的測量范圍，在FPGA內部設計了一個分頻電路，用來實現針對不同頻率的被測信號選擇不同的采樣頻率，確保采集數據更加精確。分頻單元采用圖形輸入方法實現其內部結構圖如圖4所示。在圖4中，利用T觸發(fā)器在輸入為1時，每個時鐘沿到來時輸出會發(fā)生跳變來實現分頻的。同時我們可以看出，T觸發(fā)器的輸入是有一些邏輯組合構成的，這就構成了門控時鐘。對于門控時鐘，仔細分析時鐘函數，以避免毛刺的影響。而門控時鐘在滿足以下兩個條件時，則可保證時鐘信號不出現危險的毛刺，門控時鐘可以像全局時鐘一樣可靠的工作。
·驅動時鐘的邏輯必須只包含一個“與”門或一個“或”門。如果采用任何附加邏在某些工作狀態(tài)下，會出現競爭產生的毛刺。
·邏輯門的一個輸入作為實際的時鐘，而該邏輯門的所有其它輸入必須當成地址或控制線，它們遵守相對于時鐘的建立和保持時間的約束。
對于本設計中的A/D轉換器，其控制信號只有兩個：時鐘輸入信號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內部將和CLK同頻同相的時鐘信號反相后得到，這樣剛好可以滿足A/D轉換器的轉換時序關系。
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圖4 分頻電路內部結構圖
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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轉換器的控制信號產生電路在頂層生成了相對應的邏輯符號如圖5所示。
FIFO功能單元設計
本系統(tǒng)的A/D采樣速率比較高，采樣周期達到16.7ns，而選用的華邦公司單片機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的緩沖途徑才能保證系統(tǒng)的正常工作。為此在A/D轉換器和單片機處理器中間加入一個先入先出式緩沖器(FIFO)，以緩解高速信號和低速設備之間的接口矛盾。本設計中利用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512*8位的FIFO，作為兩路A/D轉換器的數據緩沖。Quartus II中產生的圖形符號和其時序波形圖形如圖6所示。FIFO的輸入信號有數據輸入信號，直接和A/D轉換器的輸入相連下；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據寫入FIFO，寫使能設置為永遠有效；讀信號和讀使能信號，這都有單片機發(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。輸出信號有數據信號，和單片機的數據線相連，傳送數據；滿標志信號，當有效時停止對FIFO的寫操作；空標志信號，當有效時停止對FIFO的讀操作。
圖6 FIFO圖形符號和其時序波形圖
頻率測量模塊設計
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間基準。測量頻率其實就是單位時間內的計數。在本設計中，測頻模塊的具體設計思路為：首先將A/D轉換器轉換后的數據通過一個比較器得到測頻脈沖，由于本設計中的A/D將0V電壓轉換為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定為0x88。然后將測頻脈沖通過一個D觸發(fā)器同步后便開始計數，在計數過程中為避免尖脈沖或毛刺信號造成對計數的影響，根據上次測頻的結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被計數，提高了整個測量的精度。整個測頻模塊的符號圖如圖7所示。在圖7中，compare為比較模塊，然后經過觸發(fā)器同步后，通過脈寬過濾模塊(FreLatch1)后到計數測頻模塊(MeasureFrequency),測量得到的數據通過八位寄存器counter_out1、counter_out2和counter_out3輸出。OneSecondPulse模塊為產生1s脈沖的模塊，為計數提供基準參考脈沖。
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圖7 測頻模塊的符號圖
液晶顯示及鍵盤模塊
在本次設計中，我們選用內置SED1335控制器的液晶顯示模塊MS320240B，分辨率為320*240。不僅可以單獨的進行文本顯示或圖形顯示，還可以進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、兩個游標與波形相交點的電壓值及時間值顯示在液晶屏上。在液晶屏的顯示如圖8所示。
圖8 雙通道波形顯示
在實現人機通信功能的單片機通信輸入設備中，最簡單的是由按鍵組成的開關矩陣構成的鍵盤，它隨時可以發(fā)出各種控制命令和進行數據輸入。通常按鍵所用為機械開關，有很多缺點，主要是按鍵被按下或彈起時都會有輕微的抖動，抖動時間和開關的機械特性有關，一般為5ms~10ms。為了避免在抖動期間掃描鍵盤得到錯誤的行值和列值，一般在檢測到有鍵按下后延時10ms再進行掃描。在本設計中，采用一個3*8的行列式鍵盤，發(fā)出各種命令來對采集器進行類似于示波器按鈕的操作。
圖9 簡易示波器的上位機控制面板
USB通信單元
本次設計采用Cypress公司的CY7C68013芯片實現USB傳輸模塊的設計，CY7C68013是符合USB2.0標準的芯片。通過USB總線把采集的數據實時的傳遞給計算機，便于上位機也可以實時的顯示波形，還可以很方便的存儲數據。
上位機應用程序設計
在上位機中利用計算機強大的計算能力和圖形環(huán)境，建立圖形化的軟面板來替代常規(guī)的儀器控制面板。軟面板上具有與實際儀器相似的開關、指示燈及其它控制部件。用戶通過鼠標或鍵盤操作軟面板，檢驗儀器的性能和可操作性。同時，用戶不用編寫測試程序， 就可以可進行測試、測量，實現了測試的自動化、智能化。
在本設計中采用LabVIEW編寫上位機圖應用程序。簡易示波器的上位機控制面板如圖9所示，它主要實現雙通道波形顯示功能。顯示面板采用游標來進行電壓和時間的測量，可以減小人為的讀數誤差提高測量準確度。當兩個通道同時顯示時，可以通過前面板上的“當前通道選擇”按鈕來選擇要顯示的通道的參數。RUN/STOP按鍵能夠啟動和停止數據采集顯示模塊，便于操作和讀數。前面板還帶有拖拉和縮放按鈕，方便查看圖形。
結語
本文是基于FPGA的簡易數字示波器系統(tǒng)的硬件/軟件的設計思路和設計方案。此系統(tǒng)設計完成后，測試表明系統(tǒng)可以將采集到的數據通過軟件程序控制轉換成相應的波形顯示出來，顯示的波形和輸入信號的波形基本一致，能夠實現數據采集、緩存、傳輸及波形顯示等便攜式采集系統(tǒng)的基本功能，具有非常廣闊的應用前景。
參考文獻
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