基于FPGA的數字存儲示波器設計

蘇建加 廖聰裕 魯錦濤

中國地質大學（武漢）機械與電子信息學院 430074

基于FPGA的數字存儲示波器設計

蘇建加 廖聰裕 魯錦濤

中國地質大學（武漢）機械與電子信息學院 430074

本文設計一個數字存儲示波器，以FPGA芯片為核心，輔以430單片機和信號調理電路（電壓跟隨、三路放大、電平轉換、觸發電路等），采用實時采樣和等效采樣兩種方法，能夠實現垂直靈敏度、掃描速度、采樣速率、觸發電平可調，被測信號的顯示波形應無明顯失真等各項功能。

FPGA；430單片機；等效采樣

1 引言

目前，示波器的采樣率、存儲深度不斷提高，但是高性能的儀器價格十分昂貴。本文基于FPGA設計，采用一般采樣率的MAX118，提出了一種新的等效采樣方法，實現對高頻信號的測量。同時儀器價格低廉，功能齊全，擁有較大得研究潛力和應用前景。

2 系統組成

本設計的系統分為信號調理電路和FPGA控制電路,信號調理電路的作用主要是對不同幅值、不同波形的輸入信號進行調理，并通過AD采樣輸入FPGA中進行處理。FPGA一路產生需要顯示的信號，另一路產生與顯示信號同步的鋸齒波信號，將兩路信號輸入顯示屏時，就可以顯示出波形。

3 數字示波器的硬件設計

本文設計的數字示波器輸入阻抗為1MΩ，顯示屏的刻度為8 div×10div，垂直分辨率為8bits，垂直靈敏度含1V/div、0.1V/div、2mV/div三檔，即要求信號電壓峰峰值為2mV～8V，于是設計了0.625倍衰減、6.25倍放大、312.5倍三路放大，使輸入信號輸出幅度范圍在0V～2.5V，再經電壓抬升電路，使電壓幅度為0V～5V，滿足AD轉換器的輸入電壓范圍。這樣，每路放大輸入電壓峰峰值范圍分別為：0.4V～8V、8mV～0.4V、2mV～8mV。

3.1 跟隨電路設計

本設計阻抗匹配電壓跟隨電路采用LM318，其內部輸入阻抗有3Ω，選用1.5Ω電阻來匹配阻抗，其等效阻抗為1Ω。跟隨效果十分理想，頻率可以達到10MHz以上不出現衰減。在整個通頻帶內平坦。

3.2 三路放大電路設計

在0.625倍的電壓衰減電路中，本設計選用電阻分壓實現，簡單經濟。但是，在高頻段，峰峰值會有很大衰減，這是因為電路中的分布電容在起作用，使電阻上的電壓衰減，可以通過在電阻上并聯電容進行電壓補償解決。6.25倍放大電路選用了OPA699芯片。在放大電路輸入端并聯了兩個1N5822，組成電壓鉗位電路。1N5822最大正向電壓為0.5V，可避免在人為誤操作下使輸入電壓過大，燒壞芯片。而電容C2可消除自激振蕩，在R1兩端并聯C1可以解決高頻的衰減。312.5倍三路放大電路中采用了OPA2652兩級放大，OPA2652具有高寬帶增益積、高擺率、低噪聲等優點。其700MHz帶寬增益積，典型1.5mV失調，能夠很好的達到要求。通過兩級放大，可以避免高頻信號的衰減。

3.3 觸發電路

4 數字示波器軟件設計

4.1 FPGA軟件設計

等效采樣設計

本文采用順序采樣，產生精確的步進延遲電路是設計的關鍵。一般采用的是先測頻然后根據頻率得出周期T，最后再延遲。這種方法比較復雜。本文提出了一種新的方案：直接將觸發電路的波形與標準時鐘進行疊加，跳過了測頻這一環節，節省了邏輯資源。思路分析如下：利用一個寄存器變量對觸發電路的上升沿進行計數，而在下降沿時對標準高頻時鐘信號進行計數，當計數值等于對上升沿的計數值時就對一個新的信號進行翻轉。這種做法會導致一個問題產生的信號并不是步進延遲電路，因為翻轉只在下降沿進行，這會導致產生的信號的延遲包含于上升沿和下降沿中，這并不是需要的。解決的辦法是每次在上升沿的時候也進行翻轉，這就能夠使得信號的延遲只含于下降沿中了。

4.2 FIFO的設計

FIFO結構模塊如下：

主要由滿標志、空標志、讀時鐘、寫時鐘、讀指針與寫指針控制對存儲器的讀寫。當存儲器為空時禁止讀數據，當存儲器為滿時禁止寫入。在讀時鐘時進行讀操作，讀指針加1。在寫時鐘時進行寫操作，寫指針加1。

5 結語

本設計是基于FPGA和430單片機的簡易數字存儲示波器。設計制作完成后，測試表明示波器可以較好的實現顯示屏的刻度為8 div×10div，垂直分辨率為8bits，水平顯示分辨率≥20點/div，垂直靈敏度要求含1V/div、0.1V/div、2mV/div三檔，電壓測量誤差≤5%，實時采樣速率≤1MSa/s，等效采樣速率≥200MSa/s，掃描速度要求含 20ms/div、2μs/div、100 ns/div三檔，觸發電平可調，被測信號的顯示波形無明顯失真等功能。

系統可以將采集到的數據通過軟件程序控制轉換成相應的波形顯示出來，顯示的波形和輸入信號的波形基本一致，能夠實現數據采集、緩存、傳輸及波形顯示等便攜式采集系統的基本功能，具有非常廣闊的應用前景。

[1]（日）松井邦彥,OP放大器應用技巧100例[M],北京：科學出版社,2006

[2]Bruce Carter主編，運算放大器權威指南[M]，北京：人民郵電出版社，2009

[3]張國雄，測控電路[M]，天津：機械工業出版社，2010

[4]李白，舒鵬飛，楊靜竹，孟斌，簡易數字儲存示波器研究[J]，現代商貿工業 2009 年（12）

蘇建加，男，福建省龍巖市永定縣人，研究方向：通信工程。）