基于FPGA的数字示波器

摘要：提出一种基于FPGA的简易数字示波器设计方法，硬件上采用以Altera公司的EP2C8Q208CN现场可编程门阵列芯片作为核心器件，同时结合FPGA和NIOS软核的优势，设计高效的片上可编程系统(SoPC)对高速A／D所采集的数据进行快速存储和处理。整机测试表明，系统各功能正常，整个系统集成度高，体积小，可靠性高，易于程控，使用灵活。
关键词：现场可编程逻辑门阵列；信号调整；高速A／D；片上可编程系统

    高速数字化采样技术和FPGA技术的发展对传统测试仪器的体系结构，包括传统测量方法、传统仪器的定义和分类等都产生深刻的影响。伴随数字技术的发展，数字示波器展现了其强大的功能：智能捕获、参数分析、时频等变换处理、超大规模数据波形存储以及数据上网共享等。与传统模拟示波器相比，数字示波器不仅具有可存储波形，体积小，功耗低，使用方便等优点，而且还具有强大的信号实时处理分析功能。

1 系统组成
    设计的数字示波器总体框图如图1所示。

    系统主要包括信号调理模块、A／D转换模块、控制器模块、时钟产生模块、触发电路、数据缓存模块、数据快速处理模块、输入模块及显示模块。控制器模块由MSP430单片机组成，用来控制信号调理模块和A／D转换模块以及按键输入；时钟产生模块、数据缓存模块，数据快速处理模块这三个部分在FPGA内部完成；数据快速处理模块是由基于FPGA的SoPC来完成的，同时SoPC还控制TFT液晶的显示。

2 系统理论分析及硬件实现
2．1 信号调理模块
    信号调理电路包括衰减网络、电压跟随电路、程控放大电路和直流偏置电路等。信号调理电路框图如图2所示。

    为了保证输入信号在AD芯片的参考电压范围内，当大信号输入时，必须通过衰减网络对其进行衰减，以满足A／D采集电路的电压要求。通过电阻网络分压实现信号的衰减，衰减倍数有1／2和1／20两种，通过单片机控制继电器(TQ2-5)，实现对两种衰减倍数的切换；另外，电容网络是进行相位补偿，通过可调电容可以实现相位的补偿。电压跟随电路作为隔离级，可减小后级电路对前级电路的影响。电压跟随电路由TI公司的OPA656构成，OPA656是宽带单位增益稳定FET输入运算放大器。
    程控放大电路由程控增益芯片AD603和双通道串口数／模转换器TLV5638组成。单片机通过控制TLV5638的通道A产生高精度模拟电压，用于调节AD603的放大倍数。直流偏置电路中，单片机控制TLV5638，使其OUTB引脚输出一个直流电压，该电压经过NE5532组成的等比例反向器后接到OPA656的反向输入端，可以通过这个电压来确定OPA656的输出，反映到屏幕上是波形的中线位置。如果液晶显示的波形偏下或者偏上，可以调节TLV5638的B端输出来调节。
2．2 采样分析及A／D数据采集电路
    对于信号的采样分为两种方法，实时采样和等效采样。实时取样对波形进行等时间间隔取样，按照取样先后的次序进行A／D转换，并存入存储器中。等效时间取样方式是先采用“取样技术”，将周期性的高频信号变换成波形与其相似的周期性低频信号，然后再做进一步的处理，因而可以比较容易地获得很宽的频带宽度。但等效时间取样仅限于处理重复性的周期信号。图3是实时采样和等效采样的对比。

    由于系统的最高时钟为50MHz，综合以上考虑和现实要求，该系统采用了等效采样和实时采样两种采样方式。当输入信号频率低于10M-Hz，选用实时采样；反之，选用等效采样。数据采集电路中AD芯片选用TI公司的ADS830E，它是一个单通道并行8位的模／数转换器，采样速率最高可达60 MHz。为了减少硬件电路的设计和消除其他信号的干扰，A／D数据采集中的采样时钟由FPGA提供。
2．3 单片机控制模块设计
    单片机控制模块采用TI公司的MSP430F149单片机。MSP430F149控制信号调理模块以及按键的输入等。
2．4 系统中FPGA设计
2．4．1 时钟分频电路设计
    该数据采集系统具有比较宽的测量范围，在FPGA内部设计了一个分频电路，用来实现针对不同频率的被测信号选择不同的采样频率，确保采集数据更加精确。图4是使用Verilog实现的分频电路，该电路可以实现对50 MHz频率的时钟源进行分频。分频比可由程序控制，从而使时钟满足A／D采集的需求。

2．4．2 FIFO及触发电路设计
    该系统利用FPGA设计大小为1 024 B的FIFO，实现对A／D采集数据的快速存储。A／D采集电路开启时，FIFO开始存储数据。利用FPGA设计的FIFO如图5所示。

    当FIFO所存储的数据在屏幕上还原出波形时，选取一个固定的起始点，使后面的波形能够连续且没有重叠的在屏幕上显示。这个起始点反映到系统中就是触发信号。该系统中采用内部软件触发方式，通过软件设置触发电平。所设置的施密特触发器参数易于修改，从而抑制比较器产生的毛刺。当采样值大于触发电平，则产生一次触发。该方式充分利用了FPGA的资源，减少外围电路，消除硬件毛刺产生的干扰，易于调整触发电压。
2．4．3 SoPC系统设计
    由于采集的数字信号需要进行高速处理，因此本设计利用了FPGA，高效的SoPC，对FIFO(数据缓存)中的数据进行处理，并控制TFT液晶显示所采集信号的波形。

3 系统软件设计
    系统软件设计实现了人机交互、信息提示、系统启动与复位等功能。系统软件设计如图6所示，该系统包含采样时钟产生单元、显存控制单元、TFT液晶显示和可编程放大控制等模块。Verilog可以形成原理图，对其进行仿真实现，而且SoPC配置的软核CPU允许挂接这些单元，很容易实现总体功能的合理规划。

4 系统测试分析
    (1)单次触发扫描测试，观察设计的示波器能否产生扫描电压，并在信号上升沿开始显示波形。观察结果能够产生扫描电压，并显示波形。
    (2)经测量得到输入短路时输出噪声的峰-峰值为1．72 mV。
    (3)100 kHz方波校准信号的电压幅值为0．308 V，误差为0．69％。
    (4)垂直灵敏度测试。正弦信号频率为10 kHz，记录数据如表1所示。

    由表2中数据可知，测量结果都在测量误差允许范围内，很好地完成了设计任务。

5 结语
    该系统的突出特点采用FPGA作为核心控制器，同时结合NIOS软核的优势，实现了数字示波器的设计。结果表明，系统总体功能完善，集成度高，全数字化，体积小，重量轻，可靠性高，易于程控，使用灵活。