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基于FPGA的简易可存储示波器设计
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yuchengze
发表于 2016-8-22 08:54
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基于FPGA的简易可存储示波器设计
数据采集
,
工作原理
,
示波器
,
电路板
,
采集器
引言 传统的示波器虽然功能齐全,但是体积大、重量重、成本高、等一系列问题使应用受到了限制。有鉴于此,便携式数字存储采集器就应运而生,它采用了LCD显示、高速A/D采集与转换、ASIC芯片等新技术,具有很强的实用性和巨大的市场潜力,也代表了当代电子测量仪器的一种发展趋势,即向功能多、体积小、重量轻、使用方便的掌上型仪器发展。
系统组成结构及工作原理
系统的硬件部分为一块高速的数据采集电路板。它能够实现双通道数据输入,每路采样频率可达到60Mbit/s。从功能上可以将硬件系统分为:信号前端放大及调理模块、高速模数转换模块、FPGA逻辑控制模块、单片机控制模块、USB数据传输模块、液晶显示和键盘控制等几部分,其结构形式如图1所示。
图1 系统原理结构图
输入信号经前置放大及增益可调电路转换后,成为符合A/D转换器要求的输入电压,经A/D转换后的数字信号,由FPGA内的FIFO缓存,再经USB接口传输到计算机中,供后续数据处理,或直接由单片机控制将采集到的信号显示在液晶屏幕上。
高速数据采集模块
本系统可实现双通道同步数据采集,而且每通道
的采集速度要达到60Mbit/s,考虑到两路数据采集应保持同步并行,因此在设计中采用每通道都有独自的采样保持器和A/D转换器。选用MAXIM公司MAX1197型A/D转换器,它是一款双通道、3.3V供电、每通道60Mbit/s采样频率的模数转换器芯片。它内部集成双路差分宽带采样保持器和A/D转换器,可以输出锁存,具有低功耗、小尺寸、高动态性能的特点。
本系统的测量电压的范围可达到±300V,采用示波器探头和电路板上分压的方法将输入信号先进行1:1或10:1或100:1衰减,然后再通过后续电路处理以满足A/D转换器的输入电压范围要求。
被测信号通过通用探头和分压器得到的输出信号,由于输出阻抗较高,需要经过阻抗变换成为低的输出阻抗,以保持信号的完整性。同时,对于一个系统来讲,过载是不可避免的,在过载情况下,如果没有保护,器件很容易损坏。因此,系统中设计了由二极管和电阻构成的过载保护电路,将输入信号限制在±4.8V的范围之间。对于阻抗变换,选择ADI公司的高性能FET输入单电压反馈放大器AD8065芯片,构成跟随器来实现阻抗变换。经过阻抗变换的信号,还要通过增益调节,在能使输入到A/D转换器的电压满足A/D的输入电压要求,采用模拟开关和宽带精密放大器配合,由模拟开关选通不同的接入电阻值,从而实现不同的放大倍数,达到程控放大的目的。增益调节电路如图2所示,输入保护及阻抗变换电路如图3所示。
图2 增益调节电路
图3 输入保护及阻抗变换电路
FPGA控制单元
可编程逻辑器件FPGA是一种半定制的ASIC,它允许电路设计者自行编程实现特定应用的功能。本设计采用了原理图输入和VHDL语言输入两种不同的方法,控制单元承载了大部分控制任务,为各个功能模块提供相应的控制信号以确保整个系统工作的正确性。具体实现如下几个方面的功能:
分频电路及产生A/D转换器的控制信号
本数据采集系统,具有比较宽的测量范围,在FPGA内部设计了一个分频电路,用来实现针对不同频率的被测信号选择不同的采样频率,确保采集数据更加精确。分频单元采用图形输入方法实现其内部结构图如图4所示。在图4中,利用T触发器在输入为1时,每个时钟沿到来时输出会发生跳变来实现分频的。同时我们可以看出,T触发器的输入是有一些逻辑组合构成的,这就构成了门控时钟。对于门控时钟,仔细分析时钟函数,以避免毛刺的影响。而门控时钟在满足以下两个条件时,则可保证时钟信号不出现危险的毛刺,门控时钟可以像全局时钟一样可靠的工作。
·驱动时钟的逻辑必须只包含一个“与”门或一个“或”门。如果采用任何附加逻在某些工作状态下,会出现竞争产生的毛刺。
·逻辑门的一个输入作为实际的时钟,而该逻辑门的所有其它输入必须当成地址或控制线,它们遵守相对于时钟的建立和保持时间的约束。
对于本设计中的A/D转换器,其控制信号只有两个:时钟输入信号CLK和使能输出信号OE。CLK信号直接通过有源晶振输入60M的信号,而OE信号则通过FPGA内部将和CLK同频同相的时钟信号反相后得到,这样刚好可以满足A/D转换器的转换时序关系。
图4 分频电路内部结构图
图5 分频电路和频率选择电路符号图
上述分频电路和频率选择电路及A/D转换器的控制信号产生电路在顶层生成了相对应的逻辑符号如图5所示。
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