基于FPGA的数字示波器设计.doc

1、 1 2 摘 草鱼 草鱼要 草鱼 本 设计是一个采样率高达 100MSPS、 pork模拟带宽 10MHz 的便携式数字示波器 ， 鲤鱼 采用XILINX 的 FPGA 器件 来作为系统核心器件来设计 。 草鱼 草鱼 系统使用可编程逻辑实现部分数字电路功能 ， 鲤鱼 使用内嵌 Microblaze 软核 CPU 执行系统的运算与控制功能 。 草鱼示波器的模数转换器采用 AD9283-80 实现 。 草鱼 整个系统的设计由两部分完成 ， 鲤鱼 一是完成 硬件电路 的设计 ； p ork二是 采用 ise10.0 开发套件设计系统的 软件功能 。 草鱼草鱼 本便携式数字示波器具有体积小 、 p o

2、rk重量轻 、 pork成本低 及低 功耗的优点 。 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 关键词 ： pork 草鱼 Microblaze； porkA/D 转换器 ； pork示波器 ； porkFIFO； porkVHDL草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 3 Abstract 草鱼 This 草鱼 design 草鱼 is 草鱼 a 草鱼 sampling 草鱼 rate 草鱼 as 草鱼 high 草鱼 as 草鱼 80MSPS, 草鱼 simulation 草鱼 of

3、草鱼 portable 草鱼digital 草鱼 oscilloscopes 草鱼 bandwidth 草鱼 10MHz 草鱼 XILINX 草鱼 FPGA 草鱼 device, 草鱼 the 草鱼 core 草鱼 device 草鱼as 草鱼 a 草鱼 system 草鱼 design. 草鱼 Systems 草鱼 use 草鱼 the 草鱼 FPGA 草鱼 internal 草鱼 programmable 草鱼 logic 草鱼 realize 草鱼 part 草鱼 of 草鱼 digital 草鱼 circuit 草鱼 function, 草鱼 use 草鱼 inline 草鱼 Micr

4、oblaze 草鱼 soft 草鱼 nuclear 草鱼 CPU 草鱼execution 草鱼 system 草鱼 operation 草鱼 and 草鱼 control 草鱼 function, 草鱼 oscilloscope 草鱼 by 草鱼 AD9283-80 草鱼adc. 草鱼 The 草鱼 whole 草鱼 system 草鱼 design 草鱼 consists 草鱼 of 草鱼 two 草鱼 parts, 草鱼 protel99se 草鱼 finish 草鱼 EDA 草鱼software 草鱼 finish 草鱼 printed 草鱼 circuit 草鱼 board 草鱼 de

5、sign, 草鱼 use 草鱼 ise10.0 草鱼 development 草鱼 kit 草鱼 to 草鱼design 草鱼 the 草鱼 system 草鱼 of 草鱼 FPGA 草鱼 part. 草鱼 This 草鱼 portable 草鱼 digital 草鱼 oscilloscopes 草鱼 has 草鱼 volume 草鱼 is 草鱼 small 草鱼 and 草鱼 exquisite, 草鱼 low 草鱼 cost, 草鱼 low 草鱼 power 草鱼 consumption 草鱼 advantages.草鱼 草鱼 草鱼 Keywords： pork 草鱼 草鱼 Microbl

6、aze 草鱼 草鱼 A/Dconverter 草鱼 草鱼 Oscilloscope 草鱼 草鱼 FIFO 草鱼 草鱼 VHDL 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 I I 目 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼录 草鱼 绪论 1 草鱼 1 草鱼 便携式数字示波器的组成 1 草鱼 1.1 设计原理及思路 1 草鱼 1.2 便携式数字示波器的结构 2 草鱼 1.3 便携式数字示波器的性能 2 草鱼 2 草鱼 方案论证 3 草鱼 2.1 任务分析与实现 3 草鱼 2.2 硬件方案论证 3 草鱼 2.2.1 整体方案选择 3

7、 草鱼 2.2.2 显示器件选择 3 草鱼 2.2.3A/D 转换器选择 4 草鱼 2.2.4 可编程增益放大器方案论证 5 草鱼 2.2.5 模拟电压输出方案论证 6 草鱼 2.3 软件代码量估算 6 草鱼 3 草鱼 便携式数字示波器硬件设计 6 草鱼 3.1 草鱼 电源电路设计 7 草鱼 3.2 草鱼 耦合和衰减电路设计 8 草鱼 3.3 草鱼 增益可变放大电路设计 8 草鱼 3.4 草鱼 A/D 转换电路设计 9 草鱼 3.5PWM 电路设计 10 草鱼 3.6 显示设计 11 草鱼 3.7 整体电路 12 草鱼 4 草鱼 便携式数字示 波器 FPGA 设计 13 草鱼 4.1 设计思路

8、 13 草鱼 4.2 顶层设计 13 草鱼 4.3CPU 设计 14 草鱼 4.4 时钟分配模块设计 15 草鱼 4.5 采样率设置模块设计 15 草鱼 4.6FIFO 模块设计 16 草鱼 4.7 触发设置 16 草鱼 4.8pwm 模块设计 17 草鱼 5 草鱼 microblaze 软件设计 17 草鱼 5.1 软件总体概述 17 草鱼 5.2 文字显示设计 18 草鱼 5.3 波形显示函数设计 18 草鱼 5.3 波形读取 18 草鱼 5.4 采样率设置 18 草鱼 5.5 参数刷新 18 草鱼 6 草鱼 调试与分析 18 草鱼 6.1 调试中遇到的问题简述 18 草鱼 6.2 热转印

9、制作电路板的问题现象以及解决方法 18 草鱼 6.3microblaze 程序中定义长数组后程序不能在 rom 中运行 18 草鱼 6.4lcd 刷新缓慢的解决方法 19 草鱼 6.5A/D 转换器的调试 19 草鱼 II II 6.6 调试过程 19 草鱼 结论 23 草鱼 参考文献 错误 !未定义书签。 草鱼 致 草鱼 草鱼 谢 错误 !未定义书签。 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 北京城市学院 2011 届毕业设计 1 1 绪论 草鱼 示波器作为在电子技术领域中重要的测量工具有着无可取代的地位 ， 鲤

10、鱼 它能将探测到的电压波形显示到屏幕上 ， 鲤鱼 为电路设计者提供了一种直观的电路状态反映 。 草鱼草鱼 示波器不仅仅是一种重要的测量仪器 ， 鲤鱼 他更是电子技术飞速发展的结晶 。 草鱼草鱼 早期的示波器是一种模拟电子仪器 ， 鲤鱼 输入的电压利用电磁偏转控制电子束移动 ， 鲤鱼这样电子束在移动的过程中激发屏幕上的荧光粉发 光从而留下轨迹 ， 鲤鱼 此轨迹被称之为“波形” ， 鲤鱼 这是一种实时的波形 。 草鱼 随着电子技术的发展 ， 鲤鱼 这种实时的波形难以满足人们的需要 ， 鲤鱼 于是数字存储示波器诞生了 ， 鲤鱼 数字示波器采用“存储回放”的思想将模拟的电压信号转换为数字信号进行存储并

11、显示到屏幕上 ， 鲤鱼 这中方法使得各种瞬间的信号捕捉变得更加容易 。 草鱼 设计一台性价比高的示波器成了现代厂商们追求的目标 ， 鲤鱼 这些示波器往往具有较全面的功能和优异的性能 ， 鲤鱼 但是他们的体积往往比较大且操作繁琐 ， 鲤鱼 在实际应用的过程中大多数情况下不需要那么全面的功能 ， 鲤鱼 因此设计一个 精简的便携式示波器非常有必要 ， 鲤鱼 就像现在的精简指令计算机一样 ， 鲤鱼 不常用的指令就给去掉 ， 鲤鱼 那些复杂的指令虽然方便 ， 鲤鱼 但是占用资源 。 草鱼草鱼 本 便携式数字示波器 主要优点是 ： p ork草鱼 1 体积小巧 ； p ork草鱼 2 成本低廉 ； p o

12、rk草鱼 3 方便易用 ； p ork草鱼 4 系统集成度高 ， 鲤鱼 稳定性好 ； pork草鱼 5 硬件可编程 ； p ork草鱼 6 系统升级方便 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 1 草鱼 便携式数字示波器 的组成 草鱼 1.1 设计 原理 及思路 草鱼 数字示波器的基本原 理就是将模拟信号转换为数字信号显示到屏幕上 ， 鲤鱼 其核心部分就是控制电路和模数转换电路 。 草鱼 控制电路为模数转换电路提供时钟以及控制信号并负责数据的处理 。 草鱼 本设计采用 CPU 配合高速 A/D、 pork模拟调理电路 、 pork液晶显示屏 、 pork探头等基本单

13、元完成数字存储示波器 。 草鱼 系统的模拟部分包含了耦合电路 、 pork衰减电路 、 pork增益控制 、 pork基准控制 、 pork模数转换器等 。 草鱼 系统人机交换系统由一块 320 240彩色液晶显示屏和键盘组成 ， 鲤鱼 使用 CPU 来控制显示屏显示波形以及菜单 ， 鲤鱼 CPU 通过读取按键 状态来判断用户的操作从而执行相应的操作 原理示意 如图 1.1 所示 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 北京城市学院 2011 届毕业设计 2 2 草鱼 图 1.1 草鱼 草鱼 数字示波器原理示意图 草鱼 1.2 便携式数字示波器 的结构 草鱼 便携式数字示波器的结构如图 1.2 所示 ： p

14、ork草鱼 草鱼 图 1.2 草鱼 草鱼 便携式数字示波器设计框图 草鱼 1.3 便携式数字示波器 的性能 草鱼 便携式数字示波器 具有很高的性能 ， 鲤鱼 其具体参数 ： pork草鱼 屏幕分辨率 ： p ork320 240； pork草鱼 最高采样率 ： p ork80MSPS； pork草鱼 时基范围 ： p ork250ns-5s,以 1、 pork2、 pork5的方式变化 ； pork草鱼 x 轴灵敏度 ： p ork从 1mv 到 50v； pork草鱼 存储深度 ： p ork256 字节 ； pork草鱼 模数转换器位数 ： p ork8 位 。 草鱼 草鱼 控制器 数据采

15、集模块 显示模块 按键 电源 北京城市学院 2011 届毕业设计 3 3 2 草鱼 方案论证 草鱼 2.1 任务分析与实现 草鱼 分析任务书 ， 鲤鱼 本设计主要的 任务 就是采集模拟信号的幅值将其处理后显示到 lcd 屏幕上 。 草鱼 数据转换的工作将由 A/D 转换器来完成 ， 鲤鱼 数据转换完成后将由 CPU 进行处理 ， 鲤鱼 由于 A/D 转换器的采样速率较高 ， 鲤鱼 而一般的 CPU 的 速度相对比较慢 ， 鲤鱼 这就需要在 A/D 转换器与 CPU 之间加上数据缓存 ， 鲤鱼 在一定的时钟配合下可以精确的采集并再现数据 。 草鱼 当然 ， 鲤鱼 这个采集的过程中并不是将数据完整

16、的捕捉保存的 ， 鲤鱼 根据实际的应用 ， 鲤鱼 示波器并不需要每时每刻都更新数据 ， 鲤鱼 仅仅是在触发条件满足的时刻需要将波形采集并保存 。 草鱼 对于示波器 ， 鲤鱼 还有一些其他的辅助功能 ， 鲤鱼 如频率测量 、 p ork峰峰值检测这些功能将会在扩展部分完成 。 草鱼草鱼 2.2 硬件方案论证 草鱼 2.2.1 整体方案 选择 草鱼 本电路需要用到大量数字逻辑电路 ,如时钟分配 、 pork wm、 pork触发控制 、 pork频率计数等 ， 鲤鱼 这些电路可以通过使用 74 系列电路来实现 ， 鲤鱼 也可以通过可编程逻辑器件来实现 ， 鲤鱼 主要有如下两种方案供选择 ： p o

17、rk草鱼 方案一 ： pork对电路逻辑进行分析后得出逻辑表达式以及真值表 ， 鲤鱼 使用 74 系列芯片搭建 ， 鲤鱼 这样做成本比较低 ， 鲤鱼 但是印刷线路板设计要求比较高 ， 鲤鱼 电路的稳定性比较差 。 草鱼草鱼 方案二 ： pork采用专用的芯片进行设计 ， 鲤鱼 比如可以使用专门的 PWM 芯片或数模转换实现模拟电压的输出 ， 鲤鱼 这类电路往往成本较高 ， 鲤鱼 且通用性不强 。 草鱼 但是这些电路都是 经过专门的设计 、 pork测试得出的产品 ， 鲤鱼 稳定性非常高 。 草鱼草鱼 方案三 ： pork采用可编程逻辑器件来实现这部分电路 ， 鲤鱼 可以选择的可编程逻辑恰见有

18、GAL、 porkCPLA、porkFPGA 等 ， 鲤鱼 这类芯片成本往往介于以上两种方案之间 。 草鱼 如上的可编程逻辑器件中 GAL 已经不常用了 ， 鲤鱼 它是早期的可编程逻辑 ， 鲤鱼 内部逻辑两很小 ， 鲤鱼 不适合作为本设计的方案 。 草鱼草鱼 本设计中的 CPU 起着系统核心的作用 ， 鲤鱼 负责整个系统的运作 ， 鲤鱼 对于 CPU 的选型有如下方案 ： pork草鱼 方案一 ： pork采用单片机 ， 鲤鱼 早期的 单片机性能非常弱 ， 鲤鱼 比如 51 系列的单片机的 rom 只有 4K， 鲤鱼 对于本设计力不从心 ， 鲤鱼 还有一些精简指令的单片机如 ： porkavr

19、、 pork ic 这些单片机性能比 51 稍强 ， 鲤鱼 内存也有不同的等级 ， 鲤鱼 基本可以满足本设计的要求 。 草鱼 最近新出的一些 32 位单片机是一个不错的选择 ， 鲤鱼 如 STM32 可以运行在最高 72MHZ 的时钟频率下 ， 鲤鱼 内部集成了单周期硬件乘法器 ， 鲤鱼 运算性能 很高 ， 鲤鱼 价格 不超过 20 元 ， 鲤鱼 非常适合本系统的应用 。 草鱼草鱼 方案二 ： pork采用嵌入式微处理器 ， 鲤鱼 这些器件往往具有几百 MHZ 的运行频率 ， 鲤鱼 运算能力非常强大 。草鱼 嵌入式操作系统要求系统存储资源很大一般处理器内置存储往往不能满足要求 ， 鲤鱼 这些处

20、理器的嵌入式微处理器的存储器往往是外置的 ， 鲤鱼 这样硬件成本比方案一增加了数倍 。 草鱼草鱼 方案三 ： pork某些可编程逻辑器件（ FPGA）可以内建微处理器软核 ， 鲤鱼 这样做大大增加了系统的稳定性且性价比非常高 。 草鱼草鱼 综合以上两个部分的电路 的要求 ， 鲤鱼 本设计将采用 fpga 作为和核心器件 ， 鲤鱼 因为有现成的 spartan3E的开发板 ， 鲤鱼 所以本设计将使用开发板加电路的形式 ， 鲤鱼 对于系统的逻辑数量在设计之前还没 有办法估算 ， 鲤鱼 基本采用先设计后调整的方式 。 草鱼 具体方式为把能用 VHDL 实现的部分用 VHDL 实现 ，鲤鱼 当逻辑数量

21、不够了再将一些部件使用 cpu 来实现 ， 鲤鱼 这样达到一个动态的平衡使得系统的资源最佳利用 。 草鱼草鱼 2.2.2 显示器件选择 草鱼 电路最主要的功能是为人类服务 ， 鲤鱼 有了服务就得有人机对话的设备 ， 鲤鱼 最通常的电子设备都装有显示器件或发声器件来告知人们电路的运行状态 。 草鱼 本设计中 ， 鲤鱼 需要的交互设备是显示器件 ，鲤鱼 还有键盘 。 草鱼 目前 电子 系统中常用的显示设备是发光二极管 、 pork数码管 、 porklcd， 鲤鱼 显 然发光二极管和数码管不适合本系统的额要求 ， 鲤鱼 对于 lcd 有两种方案可以选择 。 草鱼草鱼 方案一 ： pork使用单色

22、lcd， 鲤鱼 这种方案操作简单对 CPU 要求不高 ， 鲤鱼 但是单色 lcd 一般都是工业设备北京城市学院 2011 届毕业设计 4 4 上使用 ， 鲤鱼 由于出货量不是很大 ， 鲤鱼 所以价格往往较贵 。 草鱼草鱼 方案二 ： pork采用 tft 彩色 lcd， 鲤鱼 此方案最大的优点是成本低廉 ， 鲤鱼 tft 彩色 lcd 一般为消费类电子产品必备 ， 鲤鱼 这类产品出货量很大 ， 鲤鱼 这样价格就会非常低廉 ， 鲤鱼 但是彩色液晶一般为一个像素需要 16位的数据 ， 鲤鱼 对于 CPU 的要求较高 。 草鱼草鱼 考虑到成 本问题 ， 鲤鱼 本设计将采用 tft 彩色液晶 ， 鲤鱼

23、 且显示波形色彩多样 ， 鲤鱼 内容更加丰富 ， 鲤鱼 提高系统的美观 。 草鱼草鱼 2.2.3A/D 转换器选择 草鱼 A/D 转换器是整个示波器的核心器件之一 ， 鲤鱼 A/D 转换器的性能决定了数字示波器的性能 ， 鲤鱼 目前A/D 转换器成了限制数字示波器带宽提高的主要瓶颈 。 草鱼 A/D 转换器的主要参数有分辨率和速度 ，鲤鱼 而对于数字示波器来说速度这个指标相对分辨率显得更加重要 。 草鱼 目前高速 草鱼 A/D 产品比较完善的厂家都来自国外 ， 鲤鱼 由于某些限制 ， 鲤鱼 一些高速 A/D 是不进入中国大陆销售的 ，鲤鱼 但是 对于本市合计要求这样速度的 A/D 在市场上很容

24、易买到 ， 鲤鱼 且有多数场上可以选择 ， 鲤鱼 下面是 AD 公司的选型过程 ， 鲤鱼 首先进入高速 A/D 的性能选择 =9bit、 pork50-100Mhz， 鲤鱼 如图 2.1 所示 ： pork草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 图 2.1 草鱼 草鱼 AD公司网站器件类型选择 草鱼 进入器件选型 ， 鲤鱼 如图 2.2 所示 ： pork草鱼 北京城市学院 2011 届毕业设计 5 5 草鱼 图 2.2 草鱼 草鱼 AD公司高速模数转换器列表 草鱼 选择了一款性价比高的 A/D 转换器 AD9283.草鱼 2.2.4 可编程增益放大 器方案论证 草鱼

25、 示波器是用来分析信号用的 ， 鲤鱼 所以 X 轴的灵敏度应该是可调的 ， 鲤鱼 表现在电路上即是电路的增益是可变的 ， 鲤鱼 可以选用可编程增益的放大器来解决这个问题 ， 鲤鱼 在可编程增益模块的设计上有三种方案可以选择 ： p ork草鱼 方案一 ： pork使用受控于模拟电压的可编程增益放大器 ， 鲤鱼 这类电路的增益需要一个模拟电压来控制 ， 鲤鱼 这样的电路控制精度较高 ， 鲤鱼 且噪声低 。 草鱼草鱼 方案二 ： pork使用受控于数字信号的可编程增益放大器 ， 鲤鱼 这类电路的增益需要对其输入一个数字量来控制 ， 鲤鱼 这样的电路控制精度较低 ， 鲤鱼 且因为 引入了数字电路所以

26、噪声很大 。 草鱼草鱼 方案三 ： pork使用运放加模拟开关来控制 ， 鲤鱼 具体做法是使用模拟开关对运放引入不同等级的负反馈 。 草鱼 这样的方案相对于以上两种方案先得体积庞大 ， 鲤鱼 不适合本设计 。 草鱼草鱼 考虑了本设计便携的理念舍弃了方案三 ， 鲤鱼 因为示波器是分析信号的 ， 鲤鱼 应该尽量减少噪声 ， 鲤鱼 本设计选用了方案二 。 草鱼 对于模拟集成电路 ， 鲤鱼 AD（ analog 草鱼 devices）公司在业内享誉盛名 ， 鲤鱼 下一步的期间选型工作是在 AD 公司网站上进行的 ， 鲤鱼 如图 2.3 所示 ， 鲤鱼 本设计选用了一款性价比较高的可变增 益放大器 ad603， 鲤鱼 ad603 的最高工作频率为 90Mhz， 鲤鱼 满足系统要求 。 草鱼草鱼 草鱼 图 2.3 草鱼 草鱼 增益可编程放大器选型图 草鱼