1、基于 FPGA的简易数字存储示波器设计 时间：2009-12-16 17:11:07 来源：电子科技 作者：宗荣芳 淮海工学院 0 引言 高速数字化采集技术和 FPGA 技术的发展已经对传统测试仪器产生了深刻的影响。数字 存储示波器(DS0) 是模拟示波器技术、数字化测量技术、计算机技术的综合产物，他主要 以微处理器、数字存储器、A D 转换器和 DA 转换器为核心，输入信号首先经 AD 转 换器转换成数字信号，然后存储在 RAM 中，需要时再将 RAM 中的内容读出，经 DA 转 换器恢复为模拟信号显示在示波器上，或者通过接口与计算机相连对存储的信号作进一步 处理，这样可大大改进显示特性，增
2、强功能，便于控制和智能化。这种 DSO 中看到的波 形是由采集到的数据经过重构后得到的波形，而不是加到输入端上信号的波形。本文采用 基于 FPGA 的方式进行数据采集、数据处理等功能的设计。这种设计方案在高速数据采集 上具有很多优点，如体积小、功耗低、时钟频率高、内部延时小、全部控制逻辑由硬件完 成等，另外编程配置灵活、开发周期短、利用硬件描述语言来编程，可实现程序的并行执 行，这将会大大提高系统的性能，有利于在系统设计和现场运行后对系统进行修改、调试、 升级等。 1 系统实现方案 根据设计指标要求，基于 FPGA 的系统结构如图 1 所示，主要由模数转换、数模转换、 FPGA 数据处理、数据
3、存储四部分组成。由垂直分辨率大于或等于 32 点div 可知 AD、D A 转换器至少 8 位，系统选用 AD976(16 位 AD 转换器) 和 AD669(16 位 DA 转换器)，由于受 PLC I0 口数量的影响，AD976 和 DA669 使用其中 13 位，RAM 选 HM6264(64k)，时钟采用 125kHz，PLC 选用 EPFl0K10LC84 一 3。模拟信号通过 AD 转换器将信号输入给 FPGA，FPGA 根据相关指令进行数据存储至 RAM 或将数据从 RAM 读出送给 DA 转换器转换成模拟信号输出。 2 系统主要电路 系统中 FPGA 数据处理模块将 AD 输入
4、、RAM 数据存储和 DA 输出连接在一起， 实现信号的传递、存储等控制。输入电路中 AD 转换芯片选用 AD 公司的 AD976，它是 16 位高速，高精度 AD 转换器，最大采集率为 100kSPS，输入信号范围为一 10 +10V，RC 为读数转换控制端，CS 为片选端，电路连接如图 2 所示。 数据存储器 HM6264 是 64k 的静态 SRAM，8 位 I0 公共输入出线，13 位地 址线，三态输出。地址有效条件是CSl=0，CS2=ln WE=0，OE=1 执行写操作； WE=1，OE=O 执行读操作。电路连接如图 3 所示。 输出电路中 DA 转换芯片 AD669 也是 AD
5、公司推出的 16 位高速，高精度 DA 转换器，具有高性价比，电路连接如图 4 所示。 3 FPGA 程序设计 此部分实现的主要的功能是将 AD 转换后的数据经 FPGA 控制写入 RAM 及将数据从 RAM 读出经 FPGA 输出给 DA 转换器，顶层原理图如图 5 所示。外围主要接口端功能 为：A153 为数据输入端，CLK4M 为时钟信号端， TONGIN 为触发端口， CS、 RC、WE、OE 为片选、转换、读写控制端，RAMI、RAMO、AA 为存储器 IO 端、 地址端，QQ 为数据输出端。 其中模块 CHANA 实现的功能是对数据的最高位取反，因为 AD976 最高位“l”表示
6、负电平，而 AD669 最高位“1” 表示高电平；模块 INTRD 在 EN 为“1”，信号上升沿过零点 时，Q 输出为“l”，直到完成对存储器的写操作为止；模块 SIGND 是整个程序的核心部分， 主要功能是为存储器和 lAD976 提供控制信号，启动 AD 转换，对存储器进行写操作和 读操作；模块 SAN 在对存储器由写操作转变为读操作后，将存储器的数据输出变为高阻态， 不妨碍存储器数据的正常读入；模块 TONG 端口 A 外接开关，按下时低电平，起同步作用。 仿真结果如图 6，(a)为写操作时的仿真波形；(b)为读操作时的仿真波形。当运行在写操作 时，QQ 无输出，如图 6(a)所示，实
7、现存储功能，读操作时，QQ 输出，由于模块 CHANA 的存在，QQ 输出的数据要对 A 输入的数据首位取反，即 A 输入是 0101，QQ 输出是 1101，如图 6(b)所示，仿真结果正确。 4 结语 本文以 PLC 器件为控制核心，通过附加一定的外电路及普通示波器构成简易数字存储 器，使普通示波器具有波形数字存储的功能。其中以 FPGA 为主部件的控制部分采用 VHDL 语言，按模块化方式进行设计，并将各模块集成于芯片中，最后通过 MAXPLUS II 软件对设计进行逻辑仿真，对 FPGA 芯片进行编程，实现系统的设计要求。随着科学技术 的不断发展，这种以 FPGA 为基础的软件硬件化，其发展前景十分看好。
