基于FPGA的成型滤波器设计.doc

1、 草鱼 草鱼 草鱼 天津职业技术师范大学 草鱼 Tianjin 草鱼 University 草鱼of 草鱼Technology 草鱼and 草鱼Education 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 毕 草鱼业 草鱼设 草鱼计 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 专 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼业 ： p ork应用电子技术教育 草 鱼草鱼 班级学号 ： p ork 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 学生姓名 ： p ork 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

2、草鱼 草 鱼草鱼 指导教师 ： p ork 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 二 一 草鱼一 年 草鱼六 草鱼月 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 天津 职业技术师范大学 本科生毕业设计 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 基于 FPGA 的数字存储示波器的设计 草鱼 草鱼 Design 草鱼 a 草鱼 digital 草鱼 oscillograph 草鱼 based 草鱼 on 草鱼 FPGA 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 专业班级 ： p ork 草 鱼草鱼 学生姓名

3、 ： p ork 草 鱼草鱼 指导教师 ： p ork 草 鱼草鱼 学 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼院 ： p ork电子工程学院 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 年 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼月 草鱼 草鱼 草鱼 I 摘 草鱼 草鱼要 草鱼 本文介绍了一台以 FPGA 为处理核心的双通道数字存储示波器 的设计 。 草鱼 设计中 模拟通道采用 OPA657 为阻抗变换缓冲级 ， 鲤鱼 提供 1T的输入阻抗 ， 鲤鱼 VCA824 作为增益控制 实现了宽带宽 ， 鲤鱼 宽范围输出 。 草鱼 再由 THS4500 驱动 草鱼 ADC 草鱼 ADS831， 鲤鱼 实现了 80Msamp/s 采样率

4、，鲤鱼 模拟通道的带宽 限制 为 10MHz。 草鱼 数字处理采用 SOPC 技术 ， 鲤鱼 在 FPGA 内部构建采样 FIFO，鲤鱼 及数据流触发及分析逻辑 ， 鲤鱼 FPGA 内建的以 NiosII 为核心作为处理核心 。 草鱼 此示波器的单通道存储深度为 8Ksamp， 鲤鱼 波形刷新率为 15 帧每秒 ， 鲤鱼 具有一定的实时性 。 草鱼 操作界面采用 TFT240X320 显示波形 ， 鲤鱼 全触摸控制 。 草鱼 波形移动拉伸还有其他控制都通过触摸滑动触摸屏 ， 鲤鱼 带来了不一样的操作感受 。 草 鱼 示波器的制作成模块化功能板 ， 鲤鱼 分为模拟通道 ，鲤鱼 控制板 ， 鲤鱼

5、数字核心板 ， 鲤鱼 显示控制板 。 草鱼 示波器的硬件也成为了一个高速数据采样的开发平台 。 草鱼草鱼 草鱼 关键词 ： p ork 草鱼 示波器 ； porkFPGA； pork增益控制 ； pork触发电路 ； pork触摸屏 草鱼 草鱼 II ABSTRACT 草鱼 This 草鱼 paper 草鱼 introduces 草鱼 a 草鱼 for 草鱼 processing 草鱼 the 草鱼 core 草鱼 with 草鱼 FPGA 草鱼 dual 草鱼 channel 草鱼 digital 草鱼storage 草鱼 oscilloscope 草鱼 design. 草鱼 By 草鱼 s

6、imulating 草鱼 the 草鱼 channel 草鱼 OPA657 草鱼 design 草鱼 for 草鱼impedance 草鱼 transformation 草鱼 buffer 草鱼 level, 草鱼 provide 草鱼 the 草鱼 input 草鱼 impedance 草鱼 1T,VCA824 草鱼 as 草鱼 gain 草鱼 control 草鱼 realized 草鱼 broadband 草鱼 wide, 草鱼 wide 草鱼 range 草鱼 output. 草鱼 By 草鱼 THS4500 草鱼 drive 草鱼 ADC 草鱼ADS831 草鱼 again, 草鱼

7、realized 草鱼 80Msamp/s 草鱼 sampling 草鱼 rate, 草鱼 simulation 草鱼 channel 草鱼 bandwidth 草鱼limitations 草鱼 for 草鱼 10MHz. 草鱼 Digital 草鱼 processing 草鱼 with 草鱼 the 草鱼 SOPC 草鱼 technology, 草鱼 The 草鱼 FPGA 草鱼internal 草鱼 construction, 草 鱼 and 草鱼 data 草鱼 sampling 草鱼 FIFO 草鱼 flow 草鱼 trigger 草鱼 and 草鱼 analysis 草鱼 of 草鱼

8、 logic, 草鱼The 草鱼 FPGA 草鱼 built-in 草鱼 to 草鱼 NiosII 草鱼 as 草鱼 the 草鱼 core 草鱼 as 草鱼 processing 草鱼 core. 草鱼 The 草鱼 depth 草鱼 of 草鱼 the 草鱼single 草鱼 channel 草鱼 storage 草鱼 oscilloscope 草鱼 for 草鱼 8Ksamp, 草鱼 waveform 草鱼 refresh 草鱼 rate 草鱼 of 草鱼 15 草鱼 frames 草鱼 per 草鱼 second, 草鱼 has 草鱼 certain 草鱼 real-time. 草鱼

9、By 草鱼 TFT240X320 草鱼 operation 草鱼 interface, 草鱼 the 草鱼 touch 草鱼display 草鱼 waveform 草鱼 control. 草鱼 Waveform 草鱼 tensile 草鱼 and 草鱼 other 草鱼 control 草鱼 movement 草鱼 by 草鱼touching 草鱼 sliding 草鱼 touch-screen, 草鱼 brought 草鱼 different 草鱼 operating 草鱼 experience. 草鱼 Oscilloscope 草鱼production 草鱼 into 草鱼 modular

10、 草鱼 function 草鱼 board, 草鱼 divided 草鱼 into 草鱼 analog 草鱼 channels, 草鱼 control 草鱼 panel, 草鱼 digital 草鱼 core 草鱼 board, 草鱼 display 草鱼 panel. 草鱼 Oscilloscope 草鱼 hardware 草鱼 also 草鱼 became 草鱼 a 草鱼 high-speed 草鱼data 草鱼 sampling 草鱼 development 草鱼 platform.草鱼 Key 草鱼 Words： porkOscilloscope;pork 草鱼 FPGA;pork 草

11、鱼 Gain 草鱼 control;por k 草鱼 Trigger 草鱼 circuit;pork 草鱼 Touch 草鱼 screenI 2.2.6.1 目 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 录 草鱼 草鱼 1 项目背景 - 1 -草鱼 1.1 示波器简介 - 1 -草鱼 1.2 示波器发展现状 - 2 -草鱼 2 数字存储示波器实现方案 - 2 -草鱼 2.1 总体构架方案 - 3 -草鱼 2.2 模拟前端方案 - 4 -草鱼 2.2.1 阻抗变换方案 - 4 -草鱼 2.2.2 增益控制方案 - 5 -草鱼 2.2.3 ADC 驱动方案 - 7 -草鱼 2.2.4 抗混叠滤波处理 - 8 -草鱼

12、 2.2.5 直流偏移方案 - 9 -草鱼 2.2.6 触发方案 - 9 -草鱼 2.3 ADC 方案 - 12 -草鱼 2.4 FPGA 数字处理系统板 - 13 -草鱼 2.5 电源电路 - 14 -草鱼 2.6 显示和接口方案 - 14 -草鱼 3 硬件 SOC 及软件的实现基础 15 草鱼 3.1 自定义功能模块及 SOPC 系统组成 15 草鱼 3.2 软件开发环境 20 草鱼 3.3 示波器应用软件构建模式 20 草鱼 4 项目测试验证 21 草鱼 4.1 模拟通道性能测试 21 草鱼 4.1.1 模拟带宽 21 草鱼 4.1.2 垂直精度 22 草鱼 4.1.3 水平精度 22

13、草鱼 4.1.4 输入范围 22 草鱼 4.1.5 输入阻抗 22 草鱼 4.2 波形测试 22 草鱼 5 结论 24 草鱼 5.1 项目技术总结 24 草鱼 5.1.1 阻抗 变换和探头技术 24 草鱼 II 5.1.2 增益控制 24 草鱼 5.1.3 触发波形 24 草鱼 5.1.4 ADC 技术 24 草鱼 5.1.5 数据处理技术 24 草鱼 5.1.6 操控程序构建 24 草鱼 5.1.7 新的操控理念 24 草鱼 5.2 技术之外的感触 25 草鱼 6 附件 26 草鱼 6.1 原理图及 PCB 26 草鱼 6.2 程序 26 草鱼 参考文献 53 草鱼 致 草鱼 草鱼 草鱼 草

14、鱼 谢 53 草鱼 草鱼 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 - 1 - 项目背景 草鱼 示波器简介 草鱼 示波器 是一种能够把电路信号从时域的维度 展现在屏幕上的仪器 ， 鲤鱼 也因此 功能 示波器成为最常用的测量测试仪器之一 。 草鱼草鱼 示波器的纵轴方向被电压值所度量 ， 鲤鱼 横轴则度量着信号的时间属性 。 草鱼 显示在屏幕的图像我们形象地称之为“波形” 。 草鱼 而为了方便观察 波形 ， 鲤鱼 示波器还需要能够设置这两个度量的 档位 和偏移 ， 鲤鱼 即有了垂直刻度 ， 鲤鱼 垂直偏移 ， 鲤鱼 时间刻度 ， 鲤鱼 水平偏移 。草鱼 有了这 4 个设置旋钮我们可以方便观

15、察波形的各个细节 。 草鱼 不过 不要 忽略观察波形的一个重要特性 ， 鲤鱼 那就是触发 。 草鱼 触发的作用是等待信号的某些特征才开始显示波形 。 草鱼 最简单和常用的触发条件是等待上升的波形穿越某个设定的点 。 草鱼 有了以上几个基本设置操作就可以构成一个简单的示波器 。 草鱼草鱼 模拟示波器的构成 ： por k草鱼 草鱼 草鱼 图 草鱼 1-1 草鱼 模拟示波器的构成 草鱼草鱼 模拟示波器 的构成如图 1-1， 鲤鱼 通过把处理过的信号加在示波管的垂直方向 ， 鲤鱼 用锯齿波加在波器管的水平方向来演绎时间 。 草鱼 通过触发电路来开启锯齿波从而触发波形 。 草鱼 这样的实现方式存在着几

16、个不够理想的缺陷 。 草鱼 首先波形是靠眼睛看 ， 鲤鱼 偶发性的波形看到了就算看到了 ， 鲤鱼 没看到可没有第二次机会 。 草鱼 其次示波管的余 辉时间太短 ， 鲤鱼 对于变化比较缓慢的波形 ， 鲤鱼 仅仅靠放慢扫描速度也是看不到 波形的全貌的 。草鱼 因为波形过早地消失了 。 草鱼 具有存储功能的模拟示波器成为了 高级仪器 。 草鱼草鱼 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 - 2 - 草鱼 图 草鱼 1-2 草鱼 数字示波器的组成 草鱼 新型示波器 数字存储示波器 草鱼 改进型 的模拟示波器开始有了数字的踪影 ， 鲤鱼 也有了数字示波器的雏形 。 草鱼 其结构如图 1-2。

17、草鱼 数字示波器除了模拟前端还保持模拟的 模拟的方式处理信号其他处理都采用了数字化技术 ， 鲤鱼 大量地采用 ADC 和 DAC 技术 ， 鲤鱼 连控制波形的偏移和放大也数字化了 ， 鲤鱼 不仅如此 ， 鲤鱼 显示部件也采用了液晶屏幕 。 草鱼 除了显示波形以外还能显示出更多的参数信息 ， 鲤鱼 如频率 ， 鲤鱼 幅值 ， 鲤鱼 上升时间等众多测量参数 。 草鱼草鱼 示波器发展现状 草鱼 目前在国内的大部分实验室使用的是快要过时的模拟示波器 ， 鲤鱼 其带宽都在100MHz 以 下 ， 鲤鱼 而同样带宽的数字示波器的价格则在万元左右 。 草鱼 而世界上对低端示波器的定义在 300MHz， 鲤鱼

18、 大家使用 100MHz 的示波器而没有选更高主要原因是数字示波器的核心技术被外国企业所垄断 。 草鱼 Tek， 鲤鱼 Fluke， 鲤鱼 Agilent， 鲤鱼 力科等示波器制造商几 乎占据了国内的数字示波器的市场 。 草鱼 不仅如此 ， 鲤鱼 因为技术被垄断 ， 鲤鱼 外国公司把售价抬得很高 ， 鲤鱼 远高于 示波器的制造成本 。 草鱼草鱼 数字存储示波器实现方案 草鱼 本章节详细讨论了数字示波器各部分的实现方案 ， 鲤鱼 通过对方案的讨论引出了示波器的技术构成和技术目标 。 草鱼草鱼 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 - 3 - 总体构架方案 草鱼 数字示波器 一般 构成

19、如 图 2-1.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 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 图 草鱼 2-1 草鱼 数字示 波器框图 草鱼草鱼 来自探头的信号首先经过无源衰减然后进行阻抗变换（即缓冲） ， 鲤鱼 之后信号具有的一定的驱动能力 ， 鲤鱼 再经过可变增益的放大或衰减调整到适合 ADC 采样的幅值 ，鲤鱼 为了能在屏幕上移动波形 ， 鲤鱼 信号在增益调整之后添加一个偏移量在有 ADC 驱动电路输入给 ADC 芯片 ， 鲤鱼 ADC 是数据采样的核心 ， 鲤鱼 经过高速采样的信号变成了数据流 ，

20、 鲤鱼 通过数据存储电路把大量的波形数据存储起来 。 草鱼 采样部分告一段落 。 草鱼 数据存储器的数据能通过数据总线读写 。 草鱼 控制核心通过分析触发条件挑选存储波形中合适的部分或全部数据处理成现 实波形 。 草鱼 而所有控制的命令始于控制面板 ， 鲤鱼 用户设置好的各种参数通过操作面板采集到控制核心 ， 鲤鱼 控制核心把这些控制参数转换成合适不同逻辑设置和模拟电压 。 草鱼 例如我们控制波形上下移动将会被控制核心转换成控制 DAC 产生偏移电压加载在进入 ADC 前的模拟信号中 。 草 鱼草鱼 模拟通道在很宽的不同带宽指标下结构并没有太多的变化 ， 鲤鱼 而不同的带宽指标通过不同的性能的

21、模拟芯片实现 。 草鱼 而示波器带宽指标不同就不能用单一的一种数据处理结构来处理数据 。 草鱼 举个例子 ， 鲤鱼 在 10MHz 采样时钟下的数据流我们可以用 74系列的芯片对数据 锁存并存入单片 FIFO， 鲤鱼 而如果采样时钟上升到了 1GHz,对天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计 - 4 - ADC 数据流的处理就只能用 FPGA 及定制芯片 来 接受和存储了 数据流 。 草鱼 1GHz的采样时钟并不是随意虚高的数值 ， 鲤鱼 即使采样率达到了 1GHz， 鲤鱼 示波器的理论带宽最高为 500MHz， 鲤鱼 而实际应用中只能做到 200MHz 模拟带宽 。 草鱼 这也是低

22、端示波器的带宽性能 。 草鱼 在数字示波器中后端数字处理的框架决定了整个示波器的性能 。草鱼 我们有必要先讨论一下数字示波器的数字处理框架 。 草鱼草鱼 FPGA 还有一个强大的功能就是在其大规模的逻辑资源的基础上构建 SOPC 系统 。 草鱼 SOPC 系统是 ALTERA 公司首先提出来了 ， 鲤鱼 其含义是可编程片上系统 。 草鱼 即在一个块 FPGA 实现系统的整个功能 。 草鱼 其实现的基础是处理器软核和外围数字部件 。 草鱼 SOPC 系统的意义在于构建简单快速 ， 鲤鱼 处理系统的构建风险降低了 ， 鲤鱼 开发周期也将缩短 。 草鱼 而且构建相当地灵活 ， 鲤鱼 我们可以按照自己

23、的意愿设计添加专用处理组件 ， 鲤鱼 无缝的结合在 CPU 系统中 。 草鱼 举个例子 ， 鲤鱼 如果我们需要一个 FFT 处理 ， 鲤鱼我们可以先构建一个 FFT 处理硬件 ， 鲤鱼 在借助 SOPC 草鱼 构建软件我们可以为 FFT 定制一条汇编指令 ， 鲤 鱼在 C/C+中生成 C 的宏指令 。 草鱼 这样我们在 C 环境中调用一条指令就可以完成 FFT 运算 。 草鱼 而 SOPC 系统可以利用 FPGA 剩余的逻辑资源实现其他在原来 FPGA 实现的逻辑电路 ， 鲤鱼 而不受到太多的影响 。 草鱼草鱼 模拟前端方案 草鱼 不管是数字示波器还是模拟示波器 ， 鲤鱼 在模拟前端的结构上面

24、是不需要有区别的 。草鱼 模拟前端的任务都是把信号的幅值和偏移调整到需要的水平 。 草鱼 主要是两个参数的调整 ， 鲤鱼 调整幅值即是变化通道中的增益 ， 鲤鱼 而偏移量是通过加上一个直流分量实现偏移 。 草鱼 所以我们可以用 图 2-2 的框图预览模拟前端的结构 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 图 草鱼 2-2 草鱼 模拟前端组成框图 草鱼 模拟前端可以讨论的技术点有很多 ， 鲤鱼 其中的很多技术也是关键技术 。 草鱼 下面我分开讨论一下模拟前端的各个技术组成 。 草鱼草鱼 草鱼 阻抗变换方案 草鱼 示波器测量电路是需要在电路中截取信号 ， 鲤鱼 同时要尽量减少对信号的影响 。 草鱼 加大模拟前端的输入电阻 ， 鲤鱼 减少输入电容 ， 鲤鱼 是示波器首先应该解决的问题 。 草鱼 阻抗变换