基于单片机和FPGA的简易数字存储示波器设计之二 单片机, 示波器, 硬件

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5 硬件电路设计

5．1 程控放大电路

　　采用模拟开关CD4051、宽带运算放大器AD844及精密电位器实现10 mV／div～2 V／div的多档垂直分辨率。FPGA含有通道选择寄存器模块，通过单片机写入通道号控制模拟开关以选通不同的反馈电阻，实现不同放大倍数，将信号调理在满足AD9220的0～4 V的范围内，具体电路如图2所示。


5．2 数据采集模块

　　本系统设计采用ADI公司的高速模数转换器AD9220实现波形信号的采集，AD9220最高采样速率可达10 MHz，采用外部晶体振荡器8 MHz，FPGA内部通过采样实现波形存储。AD9220有直流耦合和交流耦合两种输入方式。本系统设计采用直流耦合，0~5 V的输入方式。采用内部2．5 V参考电压。由于系统垂直分辨率只需255级，故采用AD9220的高8位。数据采集电路如图3所示。


5．3 FPGA设计

　　系统采用Verilog HDL语言，在QuartusII软件下对FPGA进行逻辑电路的描述编程，可灵活实现系统所需电路和控制模块。
5．3．1 触发模块

　　单片机先向FPGA模块写入设置的触发电压，FPGA内部相比较后，当采样值大于该触发电压时，则产生一次触发。图4为触发模块。

5．3．2 程控放大控制模块

　　单片机首先以100 mv／div的档位对信号采样，通过比较与该信号最近的模拟开关的通道号，然后写入控制字，产生相应通道号，实现垂直分辨率的调整。


5．3．3 波形存储控制模块

　　该模块为RAM模块的写地址累加器，可控制波形的存储。H_sering为单次和多次触发控制引脚，当为高电平时，单次触发，停止向RAM写入数据，所显示波形为存储波形；为低电平时，多次触发，当检测到一次触发时，即向RAM写一次数据，共l K个点，并在写操作时屏蔽触发。写地址先写奇地址，存入通道一采样后的波形数据，后写偶地址，存入通道二采样后的波形数据。如果连续多次检测不到触发时，向RAM中写入全0，显示一条直线，即实现自动捕捉功能。波形存储控制模块如图5所示。

5．3．4 波形显示控制模块

　　该模块为读地址累加器，从RAM中读取数据，并产生行扫描和列扫描数据。通过单片机写入累加器基地址，改变读取数据的起始位，实现波形的平移。该模块还可计算波形的峰峰值、平均值，单片机可直接读回数值。波形显示控制模块如图6所示。

6 系统软件设计

　　系统软件设计实现人机交互、信息提示、系统启动与复位等功能。首先系统初始化，显示默认通道波形，再等待按键按下。当按键按下后，完成相应功能，显示相应波形，然后循环等待。系统软件设计流程如图7所示。


7 测试结果

　　使用自制的数字存储示波器和tektronix TDSl002型数字示波器测量输入信号，其中部分测量数据如表1所列。


　　通过对比测试和结果分析，各种输入信号在自制数字存储示波器上可精确显示波形，并且实现波形的双踪显示及波形水平、垂直平移，频率、平均值、峰峰值的测量，误差小，达到一定的精度要求。


8 结语

　　本系统设计采用单片机作为核心控制器，充分利用FPGA的可编程逻辑功能，完成相关电路设计。软硬件有机结合实现简易数字存储示波器的设计，系统总体功能完善，稳定性高，使用方便。