基于51單片機和FPGA的簡易數(shù)字存儲示波器設計

l 引言

　　與傳統(tǒng)模擬示波器相比．數(shù)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，而且還具有強大的信號實時處理分析功能。在電子測量領域，數(shù)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(shù)字存儲示波器主要依靠國外產(chǎn)品，而且價格昂貴。因此研究數(shù)字存儲示波器具有重要價值。借于此，提出了一種簡易數(shù)字存儲示波器的設計方案，經(jīng)測試，性能優(yōu)良。

2 數(shù)字存儲示波器基本工作原理

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

3 系統(tǒng)分析論證

3．1 A／D實時采樣

　　根據(jù)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個采樣點。為了不失真恢復被測信號，通常一周期內需要采樣8個點以上。為了配合高速模數(shù)轉換器，采用FPGA控制M/D轉換器的采樣速率，以實現(xiàn)高速實時采樣。實時采樣可以實現(xiàn)整個頻段的全速采樣，本系統(tǒng)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(tǒng)設計的雙蹤顯示模塊是以高速切換模擬開關選通兩路信號進入采樣電路，兩路波形存儲在同一個存儲器的奇、偶地址位。雙蹤顯示時，先掃描奇地址數(shù)據(jù)位，再掃描偶地址數(shù)據(jù)位。采用模擬開關代替一個模數(shù)轉換器，避免兩片高速A／D轉換器相互干擾，降低系統(tǒng)調試難度，并且實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

3．3 觸發(fā)方式

　　采用FPGA內部軟件觸發(fā)方式，通過軟件設置觸發(fā)電平，所設置的施密特觸發(fā)器參數(shù)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(jié)

3．4．1 行掃描調節(jié)

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

3．4．2 列掃描調節(jié)

　　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，實現(xiàn)波形上下移動。為分離A、B通道，在讀A通道波形數(shù)據(jù)時，F(xiàn)PGA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(shù)據(jù)時，也必須將Position B電位器的值送至D／A轉換器，這樣可在調節(jié)某一電位器時，實現(xiàn)相應通道波形上下移動。

3．5 波形數(shù)據(jù)存儲

　　數(shù)字示波器存儲波形數(shù)據(jù)可采用外接的雙口RAM或通用靜態(tài)RAM，同時FPGA可控制RAM的地址線，從而實現(xiàn)波形數(shù)據(jù)的存儲。雙口RAM可同時進行讀寫操作，由于本系統(tǒng)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寫入FPGA內部，從而無需外接RAM，減少硬件電路，提高簡易數(shù)字示波器的可靠性。

4 系統(tǒng)設計方案

　　本系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)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(shù)據(jù)寫入FPGA內部RAM，再由波形顯示控制模塊進行顯示。FPGA通過編程設置實現(xiàn)測頻、鍵盤掃描、顯示驅動、波形存儲控制等功能。單片機AT89S52控制整個系統(tǒng)鍵盤和點陣液晶模塊實現(xiàn)人機交互。通過面板按鍵可方便調整波形顯示方式。