基于51單片機和FPGA的簡(jiǎn)易數字存儲示波器設計

l 引言

　　與傳統模擬示波器相比．數字存儲示波器不僅具有可存儲波形、體積小、功耗低，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有強大的信號實(shí)時(shí)處理分析功能。在電子測量領(lǐng)域，數字存儲示波器正在逐漸取代模擬示波器。但目前我國使用高性能數字存儲示波器主要依靠國外產(chǎn)品，而且價(jià)格昂貴。因此研究數字存儲示波器具有重要價(jià)值。借于此，提出了一種簡(jiǎn)易數字存儲示波器的設計方案，經(jīng)測試，性能優(yōu)良。

2 數字存儲示波器基本工作原理

　　數字存儲示波器與模擬示波器不同在于信號進(jìn)入示波器后立刻通過(guò)高速A／D轉換器將模擬信號前端快速采樣，存儲其數字化信號。并利用數字信號處理技術(shù)對所存儲的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)快速處理，得到信號的波形及其參數，并由示波器顯示，從而實(shí)現模擬示波器功能，而且測量精度高。還可存儲信號，因而，數字存儲示波器可以存儲和調用顯示特定時(shí)刻信號。

3 系統分析論證

3．1 A／D實(shí)時(shí)采樣

　　根據奈奎斯特采樣定理，采樣速率必須高于2倍的信號最高頻率分量。對于正弦信號，一周期內應有2個(gè)采樣點(diǎn)。為了不失真恢復被測信號，通常一周期內需要采樣8個(gè)點(diǎn)以上。為了配合高速模數轉換器，采用FPGA控制M/D轉換器的采樣速率，以實(shí)現高速實(shí)時(shí)采樣。實(shí)時(shí)采樣可以實(shí)現整個(gè)頻段的全速采樣，本系統設計選用ADI公司的12位高速A/D轉換器AD9220，其最高采樣速率可達10 MHz。

3．2 雙蹤顯示

　　本系統設計的雙蹤顯示模塊是以高速切換模擬開(kāi)關(guān)選通兩路信號進(jìn)入采樣電路，兩路波形存儲在同一個(gè)存儲器的奇、偶地址位。雙蹤顯示時(shí)，先掃描奇地址數據位，再掃描偶地址數據位。采用模擬開(kāi)關(guān)代替一個(gè)模數轉換器，避免兩片高速A／D轉換器相互干擾，降低系統調試難度，并且實(shí)現系統功能。

3．3 觸發(fā)方式

　　采用FPGA內部軟件觸發(fā)方式，通過(guò)軟件設置觸發(fā)電平，所設置的施密特觸發(fā)器參數易于修改，從而抑制比較器產(chǎn)生的毛刺。當采樣值大于觸發(fā)電平，則產(chǎn)生一次觸發(fā)。該方式充分利用了FPGA的資源，減少外圍電路，消除硬件毛刺產(chǎn)生的干擾，易于調整觸發(fā)電壓。

3．4 波形顯示位置的調節

3．4．1 行掃描調節

　　通過(guò)控制FPGA內部雙口RAM(1 KB)的起始地址的偏移量確定來(lái)控制波形的移動(dòng)。其具體方法是將滑動(dòng)變阻器R上的電平通過(guò)模數轉換器轉換為數字信號傳輸給FPGA，再與初始電平數字信號(顯示位置復位時(shí)，滑動(dòng)變阻器R的電平采樣值)相比較決定起始地址ADR0的偏移量。該方法可易于實(shí)現波形滿(mǎn)屏和自動(dòng)顯示功能。

3．4．2 列掃描調節

　　MAXl97采樣A、B通道的Position電位器值，所得采樣值經(jīng)FPGA送至16位串行D／A轉換器，MAX542產(chǎn)生直流電平，該直流電平與列掃描波形相加送至模擬示波器顯示，實(shí)現波形上下移動(dòng)。為分離A、B通道，在讀A通道波形數據時(shí)，FPGA必須將Position A電位器的值送至D／A轉換器；而在讀B通道波形數據時(shí)，也必須將Position B電位器的值送至D／A轉換器，這樣可在調節某一電位器時(shí)，實(shí)現相應通道波形上下移動(dòng)。

3．5 波形數據存儲

　　數字示波器存儲波形數據可采用外接的雙口RAM或通用靜態(tài)RAM，同時(shí)FPGA可控制RAM的地址線(xiàn)，從而實(shí)現波形數據的存儲。雙口RAM可同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，由于本系統設計采用FPGA，因此可充分利用FPGA的邏輯陣列和嵌入式陣列，可將雙口RAM寫(xiě)入FPGA內部，從而無(wú)需外接RAM，減少硬件電路，提高簡(jiǎn)易數字示波器的可靠性。

4 系統設計方案

　　本系統設計框圖如圖1所示。整個(gè)系統是以FPGA為核心，包括前端模擬信號處理模塊、單片機模塊、顯示模塊和鍵盤(pán)輸入模塊。而信號的前級處理模塊又包括射級跟隨器、程控放大電路、整形電路。A、B通道的信號經(jīng)前級處理變?yōu)镺～4 V，AD9220對其采樣。波形存儲控制模塊將其采樣數據寫(xiě)入FPGA內部RAM，再由波形顯示控制模塊進(jìn)行顯示。FPGA通過(guò)編程設置實(shí)現測頻、鍵盤(pán)掃描、顯示驅動(dòng)、波形存儲控制等功能。單片機AT89S52控制整個(gè)系統鍵盤(pán)和點(diǎn)陣液晶模塊實(shí)現人機交互。通過(guò)面板按鍵可方便調整波形顯示方式。