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基于FPGA的李沙育圖形在手持式示波表中實(shí)現

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作者: 時(shí)間:2007-12-07 來(lái)源: 收藏

  1.引言

  測量頻率和相位的方法很多, “李沙育圖形法”就是其中用得最多的一種?!袄钌秤龍D形法”又稱(chēng)波形合成法,就是將被測頻率的信號和頻率已知的標準信號分別加至的Y軸輸入端和x軸輸入端,在顯示屏上將出現一個(gè)合成圖形,這個(gè)圖形就是李沙育圖形。李沙育圖形隨兩個(gè)輸入信號的頻率、相位、幅度不同,所呈現的波形也不同。

  早期的模擬示波器顯示李沙育圖形的原理是將電信號轉換為光信號,核心部分是陰極射線(xiàn)示波管(CRT)。將輸入信號加到示波管內部的偏轉系統,高速電子經(jīng)聚焦、加速和偏轉后,打到熒光屏上形成亮點(diǎn),實(shí)現李沙育圖形。李沙育圖形在數字示波器上顯示與在模擬示波器上顯示完全不同,輸入的兩路信號,經(jīng)采樣后變?yōu)閿底中盘?,利用CPU做一次算法,通過(guò)運算后的數字信號映射到液晶屏上后形成了對應的李沙育圖形,此種顯示方法也能達到模擬示波器的效果。

  該設計應用于手持式數字示波表,主要部分由高速ADC、、ARM 7和TFT_LCD組成,由于成本原因,選用低速處理器ARM7,其主頻低于50MHz,如果采用常規設計方法,達不到模擬示波器相同的顯示效果。利用來(lái)實(shí)現李沙育圖形是該設計的關(guān)鍵所在。

  2.設計原理

  由FPGA完成李沙育圖形,核心在于利用FPGA的內部數字邏輯單元實(shí)現數據的運算與存儲。該系統主要由高速數據采集模塊、可編程邏輯器件FPGA、微處理器和液晶顯示模塊等四部分組成,其中顯示模塊由液晶屏和一塊低成本的CPLD組成。當兩路信號分別接至A、B通道的輸入端,經(jīng)衰減、放大后輸入到數據采集模塊進(jìn)行采樣。由ADC采樣回來(lái)的信號直接送到FPGA,此時(shí)數據并不是馬上存儲到FPGA的內部RAM模塊里面,而是先做一次算法處理,此算法的功能就是利應兩路信號的數值大小,計算出在液晶屏上的對應的被點(diǎn)亮的像素點(diǎn)的位置,而屏幕上不同的位置又對應不同的地址,此地址作為FPGA內部RAM的地址,用來(lái)存儲對應的像素點(diǎn)是否點(diǎn)亮的信息,因此實(shí)際上RAM內部存儲的數據就是一幅李沙育圖形。此數據為二進(jìn)制數據,都由邏輯信號0、1組成,0對應該像素點(diǎn)不被點(diǎn)亮,1則表示點(diǎn)亮。ARM讀取這些數據時(shí),RAM屏蔽寫(xiě)使能,只有當ARM把所有的數據讀完后,RAM才被重新寫(xiě)使能??梢钥吹?,在A(yíng)RM讀取數據的期間,從A、B兩通道輸進(jìn)來(lái)的信號仍然在往FPGA里面傳送,為了保證數據不丟失,該設計采用了兩塊大小相同的RAM的乒乓工作模式,即ARM在讀取RAM1的數據時(shí),RAM2用來(lái)存儲輸入進(jìn)來(lái)的數據,當讀完RAM1的數據后,ARM轉到讀RAM2的數據,而由RAM1來(lái)存儲輸入進(jìn)來(lái)的數據。

  3.李沙育圖形在FPGA內部的實(shí)現

  3.1 FPGA內部算法

  為了將純粹的數字信號轉化為對應的李沙育圖形,必須從李沙育圖形的形成原理來(lái)做分析。

  李沙育圖形上的每一個(gè)點(diǎn)都可以下面兩個(gè)公式來(lái)表示:

  x=A lsin(ω1t+ψ1) (1)

  Y=A 2sin(ω2t+ψ2) (2)

  由上式可知,李沙育圖形實(shí)際上是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)同時(shí)在x軸和Y軸上振動(dòng)形成的,其初始相差值△ψ=ψ2一ψ1,頻率比為ω2/ω1。為了在屏幕上達到顯示的效果,把實(shí)際李沙育圖形顯示區域(256*200)等分為四個(gè)象限,水平中心線(xiàn)為X軸,垂直中心線(xiàn)為Y軸。當A、B兩通道同時(shí)輸入進(jìn)來(lái)信號以后,把A通道的數值按由小到大的順序,從左向右排列,B通道的信號則同理從下向上排列,同時(shí)進(jìn)來(lái)的一組信號共同決定了它們所對應的在屏幕上顯示的位置,而位置對應了FPGA內部RAM的地址。其算法可由下面兩個(gè)公式實(shí)現:

  ADD=Y



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