基于s o p c 技術(shù)的予持式數(shù)字存儲(chǔ)示波衷硬件實(shí)現(xiàn) 摘要 介紹了一種基于可編程片上系統(tǒng)( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ，以下簡(jiǎn) 稱s o p c ) 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表的硬件實(shí)現(xiàn)方案。在對(duì)示波器工作原理 和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析后，通過在f p g a 中植入嵌入式系統(tǒng)處理器作為核心控制電路， 利用f p g a 中的可編程邏輯資源和i p 軟核來構(gòu)成該嵌入式系統(tǒng)處理器的接口功能 模塊，借助于a v a l o n 總線，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍模擬通道、高速a d 轉(zhuǎn)換器、r a m 、l c d 顯示器、鍵盤等硬件的控制。闡述了示波表系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架和各個(gè)模塊的具 體設(shè)計(jì)電路，其中包括模擬通道部分、數(shù)字控制部分、電阻測(cè)量部分、電源供電 部分、人機(jī)交換部分等。 針對(duì)示波表系統(tǒng)具體所完成的各種功能用途，文章著重討論了示波表系統(tǒng)的 核心部分，即基于s o p c 技術(shù)的數(shù)字控制部分在完成具體功能方面所起到的關(guān)鍵 作用和實(shí)現(xiàn)電路。特別是在示波表數(shù)據(jù)采集、工作方式、觸發(fā)模式、運(yùn)行模式、 時(shí)基幅基控制、l c d 顯示等方面，如何充分合理利用f p g a 的特點(diǎn)，及其與軟核 c p u 協(xié)調(diào)工作方面，進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。針對(duì)示波表系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)于帶有觸 發(fā)點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的技術(shù)難點(diǎn)問題，本文提出了環(huán)形f i f o 設(shè)計(jì)思想，實(shí) 現(xiàn)了完全由f p g a 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集存儲(chǔ)的方案，這樣既保證了信號(hào)的穩(wěn)定觸發(fā)， 又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速采集存儲(chǔ)，簡(jiǎn)化了軟件的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)性能。 本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件和相關(guān)的軟件程序很好地實(shí)現(xiàn)了手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波 表的信號(hào)自動(dòng)手動(dòng)測(cè)量、波形和變量存儲(chǔ)、電阻測(cè)量等功能。由于s o p c 技術(shù)具 有芯片體積小、易編程、運(yùn)行速度快、穩(wěn)定性高：軟件設(shè)計(jì)靈活、開發(fā)周期短等 特點(diǎn)，征便攜式設(shè)備開發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用前景。由本文設(shè)計(jì)的數(shù)字示波表系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)為其它便攜式設(shè)備開發(fā)者提供了一個(gè)很好的設(shè)計(jì)實(shí)例。 關(guān)鍵字：可編程片上系統(tǒng)、手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)可 編程門陣列 基于s o p c 技術(shù)的于持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬件實(shí)現(xiàn) a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e sam e t h o dt oi m p l e m e n tt h eh a r d w a r ed e s i g no fp o r t a b l e d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p eb a s e do nt h es y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ( s o p c i n t h ef o l l o w i n g ) a f t e ra n a l y z i n gt h es y s t e ms t r u c t u r eo fo s c i l l o s c o p ea n di t sw o r k i n g t h e o r y , w ei m p l a n t e dt h ee m b e d d e d - s y s t e mp r o c e s s o ri n t of p g a a st h em a j o rc i r c u i t a n dc o n s t r u c t e dt h ei n t e r f a c em o d u l eo ft h ep r o c e s s o rw i t ht h ep r o g r a m m a b l el o g i c r e s o u r c e sa n di pc o r ei nf p g a m e a n w h i l e ，w i t ht h ea s s i s t a n c eo fa v a l o nl i n e i n f p g a ，t h ec o n t r o l sc a nb er e a l i z e do ns u c hp e r i p h e r a la st h ea n a l o gp a t h ，h i g h s p e e d a dt r a n s f o r m a t i o n ，r a m ，l c dm o n i t o r , k e y b o a r d ，e t c f u r t h e r m o r e ，t h i st h e s i sh a s e l a b o r a t e dt h ew h o l ef r a m e w o r kd e s i g na n ds p e c i f i cd e s i g no fc i r c u i ti nr e s p e c t i v e m o d u l e ，a m o n gt h e ma r ea n a l o gc h a n n e l s ，d i g i t a lc o n t r o l ，r e s i s t a n c em e a s u r e m e n t ， p o w e rs u p p l y , h u m a n - c o m p u t e re x c h a n g e ，e t c a i n f i n ga tt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n sd o n eb yo s c i l l a t o rs y s t e m ，t h et h e s i sm a k e s a ni n t e n s i v ed i s c u s s i o no ni t sc o r et e c h n o l o g y ，i e w h a tc r i t i c a le f f e c tt h e d i g i t a l c o n t r o lb a s e do ns o p ch a sa n dh o wc i r c u i td e s i g ni sr e a l i z e di nr e a la n ds p e c i f i c a p p l i c a t i o n s p a r t i c u l a r l y ，s u c ha s p e c t s a sd a t ac o l l e c t i o no f o s c i l l a t o r ，w o r k i n gp a t t e r n ， t r i g g e r i n gp a t t e m ，r u n n i n gp a t t e m ，c o n t r o lo f t i m ea n df r e q u e n c y ，d i s p l a yo fl c d ， h o wt om a k et h em o s to ff p g aa n da d a p t a t i o nt oc p u ，e t c h a v eb e e na n a l y z e di n d e t a i l m o r e o v e r , a ni m p o r t a n tp r o b l e mi no s c i l l o s c o p ed e s i g nh a sb e e ns e t t l e dt h a ti s a b o u td a t ac o l l e c t i o na n ds t o r a g eo fp e r i o d i c s i g n a l ：g u i d e db yt h ec i r c u l a rf i f o d e s i g np r i n c i p a l ，f p g ac a ni n d e p e n d e n t l yc o l l e c td a t a t h eh a r d w a r ea n dc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ed e s i g n e di nt h i sp r o j e c tb e t t e rr e a l i z e t h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：b o t ha u t o m a t i ca n dm a n u a lm e a s u r e s ，s t o r a g eo fb o t hw a v e a n dv a r i a b l e s ，r e s i s t a n c em e a s u r e s ，e t c t h a n k st os o p c ss m a l lc h i ps i z e ，e a s i n e s st o c o m p i l e ，f a s tr u n n i n gs p e e d ，h i g hs t e a d i n e s s ，t h ed e v e l o p i n gs o f t w a r ep r o m i s e sb r o a d a p p l i c a t i o n sw i t hi t sf l e x i b l ed e s i g na n d s h o r td e v e l o p i n gt e r m t h u s ，t h i sc o n s t r u c t i o n i sa b l et os e r v ea sap l e a s e de x a m p l ef o rt h e d e v e l o p e r si np o r t a b l ee q u i p m e n t d e v e l o p m e n t k e yw o r d ：s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p 、p o r t a b l ed i g i t a ls t o r a g e o s c i l l o s c o p e 、h a r d w a r es t r u c t u r eo fs y s t e m 、f p g a i v 基于s o p c 技術(shù)的于持式數(shù)寧存儲(chǔ)示波表礎(chǔ)件實(shí)現(xiàn) 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī) 構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn) 均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 簽名： 日期：2 0 0 4 年1 2 月3 0 日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和 借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù) 進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：乏造盟翩簽名：圭z 墨 j 日期：2 0 0 4 年1 2 月3 0 日 基于s o p c 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬件實(shí)現(xiàn) 第一章引言 1 1 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的發(fā)展現(xiàn)狀j 0 2 1 1 6 1 二十世紀(jì)四十年代是電子示波器興起的時(shí)代，雷達(dá)和電視的開發(fā)需要性能良 好的波形觀察工具，帶寬1 0 0 m h z 的同步示波器丌發(fā)成功，這是近代示波器的基 礎(chǔ)。五十年代半導(dǎo)體和電子計(jì)算機(jī)的問世，促進(jìn)電子示波器的帶寬也達(dá)到了 i o o m h z 。六十年代美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)在電子示波器開發(fā)方面各有不同的貢 獻(xiàn)，出現(xiàn)帶寬6 g h z 的取樣示波器和帶寬6 g h z 的多功能插件式示波器，標(biāo)志著當(dāng) 時(shí)科學(xué)技術(shù)的高水平，為了測(cè)試數(shù)字電路又增添邏輯示波器和數(shù)字波形記錄器。 模擬示波器從此沒有更大的進(jìn)展，開始讓位于數(shù)字示波器。 八十年代的數(shù)字示波器處在轉(zhuǎn)型階段，還有不少地方需要改進(jìn)，美國(guó)的t e k 公司和h p 公司都對(duì)數(shù)字示波器的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。它們后來甚至停產(chǎn)模擬示波器， 并且只生產(chǎn)性能好的數(shù)字示波器。進(jìn)入九十年代，數(shù)字示波器除了提高帶寬到 i g h z 以上，更重要的是它的全面性能超越模擬示波器，出現(xiàn)所謂數(shù)字示波器模 擬化的現(xiàn)象，換句話說，盡量吸收模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)，使數(shù)字示波器更好用。 數(shù)字示波器首先在取樣率上提高，從最初取樣率等于兩倍帶寬，提高至五倍 甚至十倍，相應(yīng)對(duì)正弦波取樣引入的失真也從1 0 0 降低至3 甚至1 。帶寬1 g h z 的取樣率就是5 g h z ，甚至1 0 g h z 。 其次，提高數(shù)字示波器的更新率，達(dá)到模擬示波器相同的水平，最高可達(dá)每 秒4 0 萬個(gè)波形，對(duì)觀察偶發(fā)信號(hào)和捕捉毛刺脈沖就方便多了。 再次，采用多處理器加快信號(hào)處理能力，從多重菜單的煩瑣測(cè)量參數(shù)調(diào)節(jié)， 改進(jìn)為簡(jiǎn)單的旋鈕調(diào)節(jié)，甚至完全自動(dòng)測(cè)量，使用上與模擬示波器同樣方便。 最后，數(shù)字示波器與模擬示波器一樣具有屏幕的余輝方式顯示，賦給波形的 三維狀態(tài)，即顯示出信號(hào)的幅值、時(shí)間以及幅值在時(shí)間上的分布。具有這種功能 的數(shù)字示波器稱為數(shù)字熒光示波器或數(shù)字余輝示波器。 1 2 數(shù)字存儲(chǔ)示波器主要性能指標(biāo)2 3 】【2 5 】 ( 1 ) 帶寬 示波器的帶寬一般定義為j 下弦波幅度下降大于3db 時(shí)的頻率。在某一帶寬 下試圖觀察過快的信號(hào)將導(dǎo)致幅度和時(shí)問陽j 隔測(cè)量的誤差。帶寬有兩種類型：重 基于s o p c 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬什實(shí)現(xiàn) 復(fù)( 或等效時(shí)間) 帶寬和實(shí)時(shí)( 或單次) 帶寬。重復(fù)帶寬只適用于重復(fù)的信號(hào)，顯示 來自于多次信號(hào)采集期間的取樣。通常，重復(fù)帶寬應(yīng)至少是所要測(cè)量的信號(hào)帶寬 的3 倍。對(duì)于非正弦波的帶寬，可以利用方程bw = 0 3 5 信號(hào)的最快上升時(shí)間來 估算。精確測(cè)量要8 1 0 倍或以上。實(shí)時(shí)帶寬是示波器在單次取樣中所能捕捉的 最高頻率，且當(dāng)捕捉的事件不是經(jīng)常出現(xiàn)，要求相當(dāng)苛刻。由于更寬的帶寬往往 意味著更高的價(jià)格，因此應(yīng)按預(yù)算來評(píng)定通常要觀察信號(hào)的頻率成分。 ( 2 ) 取樣速度 對(duì)要用示波器觀察的信號(hào)而言有兩種基本類型：重復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)和不經(jīng)常出 現(xiàn)的偶然信號(hào)。對(duì)于重復(fù)的波形，示波器可以采集信號(hào)出現(xiàn)時(shí)的所有樣本( 實(shí)時(shí) 取樣) ，或者每次采集波形出現(xiàn)時(shí)的幾個(gè)樣本，并將它們合成一個(gè)圖形( 重復(fù)取 樣) 。對(duì)于不經(jīng)常出現(xiàn)的事件，要求示波器在單次觸發(fā)出現(xiàn)時(shí)捕捉足夠的信息， 以便精確地復(fù)現(xiàn)該波形。有一個(gè)在比較取樣速率和信號(hào)帶寬時(shí)很有用的經(jīng)驗(yàn)法則 如果正在觀察的示波器有內(nèi)插( 通過篩選以便在取樣點(diǎn)聞重新生成) ，則( 取樣速 率信號(hào)帶寬) 的比值至少應(yīng)為4 ：1 ；無內(nèi)插時(shí)，則應(yīng)采取1 0 ：1 的比值。 ( 3 ) 示波器通道數(shù) 需要的通道數(shù)取決于應(yīng)用。對(duì)于通常的經(jīng)濟(jì)型故障查尋應(yīng)用來說，流行的是 雙通道示波器。然而，如果要求觀察若干個(gè)模擬信號(hào)的相互關(guān)系，將需要一臺(tái)4 通道的示波器。許多工作于模擬與數(shù)字兩種信號(hào)的系統(tǒng)的工程師也考慮采用4 通道示波器。還有一種較新的選擇，即所謂混合信號(hào)示波器，它將邏輯分析儀的 通道計(jì)數(shù)及觸發(fā)能力與示波器的較高分辨力綜合到具有時(shí)間相關(guān)顯示的一臺(tái)儀 器之中。 ( 4 ) 觸發(fā)功能 觸發(fā)功能分兩大類：邊緣( e d g e ) 觸發(fā)，所有的數(shù)字示波器都有。聰敏( s m a r t ) 觸發(fā)，在高檔示波器中考慮得非常完善。 大多數(shù)通用示波器的用戶都只采用邊沿觸發(fā)方式，你可能發(fā)現(xiàn)擁有其它觸發(fā) 能力在某些應(yīng)用是有益的，特別是對(duì)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的故障查尋。先進(jìn)的觸發(fā)方式可 將所關(guān)心的事件分離出來，從而最有效地利用取樣速率和存儲(chǔ)深度。在數(shù)字應(yīng)用 中，對(duì)跨越各通道的特殊圖形的觸發(fā)十分有用。此外，狀態(tài)觸發(fā)允許對(duì)時(shí)鐘邊沿 的圖形觸發(fā)實(shí)現(xiàn)同步：“毛刺”觸發(fā)則可對(duì)正向或負(fù)向“毛刺”或者極窄的脈沖 進(jìn)行觸發(fā)。其它的觸發(fā)能力亦常可利用，重要的是應(yīng)了解它們的設(shè)煢與使用是否 方便。 基于s o p c 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬什實(shí)現(xiàn) 觸發(fā)方式有三種：自動(dòng)觸發(fā)、常態(tài)觸發(fā)、單次觸發(fā)。 ( 5 ) 分析功能 應(yīng)具有很強(qiáng)的自動(dòng)處理、運(yùn)算、測(cè)試和分析被測(cè)信號(hào)的能力。高級(jí)函數(shù)處理： 平均、微分、積分、指數(shù)、對(duì)數(shù)、乘方、開方、包絡(luò)、高分制等運(yùn)算功能： f f t 頻譜運(yùn)算功能從1 0 k 一4 m 點(diǎn)，具有功率譜、相位矢量、虛部、實(shí)部等測(cè)量；波形 參數(shù)趨勢(shì)( t r e n d ) 分析功能，抖動(dòng)( j i t t e r ) 和時(shí)間分析：可同時(shí)觀察原波形 和處理后波形；提供x y 顯示，及x - y + x t 及y t 顯示功能，并可進(jìn)行游標(biāo)測(cè) 量。特別適合對(duì)數(shù)字通訊信號(hào)做矢量( v e c t o rd i a g r a m ) 分析。 ( 6 ) 存儲(chǔ)深度 存儲(chǔ)深度是示波器所能存儲(chǔ)的樣本多少的量度。如果你需要不問斷地捕捉一 個(gè)脈沖串，則要求示波器有足夠的存儲(chǔ)器以便捕捉整個(gè)事件。將所要捕捉的時(shí)問 長(zhǎng)度除以精確重現(xiàn)信號(hào)所需的取樣速率，可以計(jì)算出所要求的存儲(chǔ)深度。在正確 位置上捕捉信號(hào)的有效觸發(fā)通常可以減小示波器實(shí)際需要的存儲(chǔ)量。了解這一點(diǎn) 也很重要，即一般來說深存儲(chǔ)數(shù)字示波器操作起來更復(fù)雜。 1 存儲(chǔ)深度與取樣率的關(guān)系。在數(shù)字示波器內(nèi)，記錄時(shí)間、取樣速率及儲(chǔ)存 深度三者問的關(guān)系，可以下列公式表示： 記錄時(shí)間= 儲(chǔ)存深度取樣速率( 1 式) 而記錄時(shí)間= 掃描速率( t d i v ) 1 0( 2 式) 由( 1 式) 及( 2 式) ：掃描速率1 0 = 儲(chǔ)存深度取樣速率( 3 式) 由式( 3 ) 得：取樣速率= 儲(chǔ)存深度( 掃描速度1 0 )( 4 式) 由式( 4 ) 得知，當(dāng)儲(chǔ)存深度不變，掃描速度變慢時(shí)，則取樣速率只有相應(yīng)減 慢。例：一數(shù)字示波器儲(chǔ)存深度為1 k 點(diǎn)，當(dāng)掃描速度為5 0 us d j v 時(shí)，則取 樣速率= l o o o ( 5 0 psx 1 0 ) = 2 m s s 但若示波器之儲(chǔ)存深度為5 0 k 點(diǎn)，掃描時(shí) 間維持不變，則取樣速率= 5 0 0 0 0 ( 5 0us 1 0 ) = 1 0 0 ms s 由此可見，若兩臺(tái)示 波器具有相同的最高取樣率，在同一掃描速度工作時(shí)，儲(chǔ)存深度較深的示波器， 具有更高的取樣率。 2 儲(chǔ)存深度與記錄時(shí)間的關(guān)系。若兩臺(tái)示波器以同一取樣速率工作時(shí)，由式 ( 1 ) 可知，深儲(chǔ)存深度的示波器可記錄更長(zhǎng)的時(shí)間。 3 儲(chǔ)存深度與波形縮放能力的關(guān)系。數(shù)字示波器縮放能力的強(qiáng)弱，在于被測(cè) 信號(hào)數(shù)字化后儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)點(diǎn)( d a t ap o i n t s ) 有多少。例：一示波器的儲(chǔ)存深度為 1 k 點(diǎn)，而熒屏之水平分辨力為5 0 0 點(diǎn)，則其正常水平縮放率只有兩倍，才能符 合熒屏的水平分辨力5 0 0 點(diǎn)( 1 0 0 0 5 0 0 = 2x ) ，若勉強(qiáng)將其放大5 倍，則真正在熒 基于s o p c 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬件實(shí)現(xiàn) 屏上所顯示的點(diǎn)數(shù)只有2 0 0 點(diǎn)( 1 0 0 0 5 x = 2 0 0 ) ，使其水平分辨力變得十分差，造 成信號(hào)失真，從而使用戶錯(cuò)誤理解。若儲(chǔ)存深度為2 5k 點(diǎn)時(shí)，則縮放能力為5 0 倍( 2 5 0 0 0 5 0 0 = 5 0 x ) ，而仍能保持足夠的水平分辨力。因此，深的儲(chǔ)存深度具有 更高的縮放能力0 ( 7 ) 儲(chǔ)存和打印信號(hào) 可在線測(cè)試并存儲(chǔ)在軟盤和硬盤上，并可在p c 機(jī)上讀出。有的數(shù)字示波器 配有內(nèi)置式打印機(jī)，方便打印分析長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)；有的還提供v g a 接口。 1 3 本課題所完成的主要任務(wù) 傳統(tǒng)的示波器雖然功能齊全，但是具有體積大、重量重、成本高等特點(diǎn)，從 而使其應(yīng)用受到了限制。而數(shù)字存儲(chǔ)示波器的研究開發(fā)在國(guó)內(nèi)尚屬于起步階段， 性能優(yōu)良的數(shù)字存儲(chǔ)示波器市場(chǎng)幾乎被國(guó)外占領(lǐng)。作為數(shù)字存儲(chǔ)示波器家族的一 員，手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表具有一般數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能。但是，在性能指標(biāo) 方面的要求較常規(guī)示波器低一些，系統(tǒng)設(shè)計(jì)偏重于系統(tǒng)的多功能、小體積和低功 耗【3 0 】。 本課題，即手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表，來源于同企業(yè)合作的開發(fā)項(xiàng)目。目的是 通過對(duì)國(guó)外主要公司產(chǎn)品工作原理的研究，來開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的手持式數(shù) 字存儲(chǔ)示波表。同時(shí)，為開發(fā)高性能數(shù)字存儲(chǔ)示波器積累理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，逐步 縮小與國(guó)外的差距。 本文設(shè)計(jì)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表是課題組共同努力下，針對(duì)上一版本出現(xiàn) 的一些問題，特別是在具體應(yīng)用功能完善方面，作了較大的調(diào)整。其中主控電路 采用s o p c 技術(shù)代替以前的d s p + f p g a 方式，這樣一方面提高了系統(tǒng)總線速度， 增加了數(shù)據(jù)穩(wěn)定性；另一方面這種基于s o p c 技術(shù)的開發(fā)軟件具有很高的設(shè)計(jì)靈 活性，它可以根據(jù)需求配置內(nèi)核c p u 以及相關(guān)的外圍設(shè)備，這樣既縮短了開發(fā)周 期，又便于維護(hù)更改。在具體電路設(shè)計(jì)方面，從示波表數(shù)據(jù)采集、工作方式、觸 發(fā)模式、運(yùn)行模式、時(shí)基幅基控制等方面，以具體測(cè)量應(yīng)用功能作為基本出發(fā)點(diǎn)， 如何充分合理利用f p g a 的特點(diǎn)，及其與軟核c p u 協(xié)調(diào)工作，在提高c p u 和外設(shè) 通信的效率和穩(wěn)定性方面，進(jìn)行了相關(guān)調(diào)整。針對(duì)示波表系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重 要的問題，就是關(guān)于帶有觸發(fā)點(diǎn)位星的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)問題，重新設(shè)計(jì)了方案，實(shí) 現(xiàn)了完全由f p g a 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集存儲(chǔ)的f i f o 環(huán)設(shè)計(jì)方案，這樣既保證了信號(hào)的 穩(wěn)定觸發(fā)，又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速采集存儲(chǔ)，簡(jiǎn)化了軟件的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)性能。 由我們?cè)O(shè)計(jì)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表采用液晶顯示、功能齊全、體積小、重量輕、 基于s o p c 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬什實(shí)現(xiàn) 使用攜帶操作都十分方便。它具有極高的技術(shù)含量、很強(qiáng)的實(shí)用性和巨大的市場(chǎng) 潛力，也代表了當(dāng)代電子測(cè)量?jī)x器的一種發(fā)展趨勢(shì)，即向功能多、體積小、重量 輕、使用方便的掌上型儀器的方向發(fā)展。 本文設(shè)計(jì)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表的技術(shù)指標(biāo)如下： 模擬帶寬2 0 m h z ；單次帶寬i o m h z 。取樣率i o o m s s 。 記錄長(zhǎng)度2 k b ；分辨率8 b i t s 。 水平掃描5 0 n s d i v l o s d i v ；垂直掃描5 m v d i v 2 0 v d i v 。 工作方式：觸發(fā)( t r i g ) 、滾動(dòng)( s c a n ) 。 觸發(fā)方式：自動(dòng)( a u t o ) 、常態(tài)( t r i g ) 、單次( s i n g l e ) 。 觸發(fā)功能：邊緣觸發(fā)( 上升、下降沿，前、后觸發(fā)) 。 測(cè)量信號(hào)參數(shù)：周期、頻率、峰峰值、電阻、a c 、d c 、a d c 。 測(cè)量精度：示波器精度5 。 波形及變量存儲(chǔ)：4 k b ；。 l c d ：3 2 0 x 2 4 0 點(diǎn)；對(duì)比度可調(diào)，有背景光。 基于s o p c 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬件實(shí)現(xiàn) 第二章手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表這課題是以應(yīng)用為中心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、 成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用嵌入式系統(tǒng)，這種嵌入式系統(tǒng)既要求 包含一般嵌入式系統(tǒng)具有的軟件代碼小，高度自動(dòng)化，體積小，重量輕等特點(diǎn)； 又要求具有實(shí)時(shí)性和多任務(wù)的體系。嵌入式系統(tǒng)主要出嵌入式處理器、相關(guān)支撐 硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成：其中硬件部分包括處理器微處理 器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和i o 端口。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件 o s ) ( 要求實(shí) 時(shí)和多任務(wù)操作) 和應(yīng)用程序編程。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；而操作 系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用f 2 9 1 【3o 】。 2 1 數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬件系統(tǒng)性能需求分析 綜合考慮數(shù)字存儲(chǔ)示波表性能和用途的要求，首先作為測(cè)量?jī)x器，要求系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)必須具有處理大數(shù)據(jù)量的能力，以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；其次作為便攜式儀 器，對(duì)系統(tǒng)的體積、功耗等也有較嚴(yán)格的要求。對(duì)于這種控制外設(shè)多、控制速度 要求高、運(yùn)算種類多、運(yùn)算量大的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)我們通常采用d s p + f p g a 處理機(jī)制，其中對(duì)于數(shù)據(jù)的采集、外設(shè)的控制、液晶顯示、地址譯碼等對(duì)運(yùn)算量 少、控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的處理，由f p g a 來完成；而對(duì)運(yùn)算量大、運(yùn)算比較復(fù)雜， 程序的控制則由d s p 來完成。這種d s p + f p g a 處理機(jī)制在實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)的應(yīng) 用中體現(xiàn)了其優(yōu)越性。 2 2 數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框架 以往設(shè)計(jì)中我們采用將d s p 和f p g a 采用不周公司的芯片，分別單獨(dú)設(shè)計(jì)， 這樣就面臨了新的問題，一方面就是d s p 和f p g a 之間的通信協(xié)議問題，d s p 必 須通過f p g a 中的總線仲裁單元實(shí)現(xiàn)與外設(shè)的通信，降低了的工作效率；另一方 面，多的芯片在電源供電、功耗、體積、開發(fā)環(huán)境等各個(gè)方面增加了開支。本課 題選用a i t e r a 公司的器件，采用s o p c 技術(shù)通過在f p g a 中植入嵌入式系統(tǒng)處理 器n i o s 作為核心控制電路，利用f p g a 中的可編程邏輯資源和i p 軟核來構(gòu)成該 嵌入式系統(tǒng)處理器的接口功能模塊，借助于a v a l o n 總線，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍模擬通道、 高速a d 轉(zhuǎn)換器、r a m 、l c d 顯示器、鍵盤等硬件的控制。系統(tǒng)整體框圖如圖2 一i ： 基于s o p c 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬件實(shí)現(xiàn) q 圖2 - 1 數(shù)字存儲(chǔ)示波表系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 整個(gè)系統(tǒng)由模擬通道部分、數(shù)字控制部分、a d 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、電阻測(cè)量、電源 供電、鍵盤輸入設(shè)計(jì)和液晶顯示等部分組成。模擬通道部分接受主程序的控制字， 實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的放大和衰減，以滿足a d 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中對(duì)模擬輸入信號(hào)的要求。 模擬通道中的信號(hào)通道模塊和觸發(fā)電路產(chǎn)生模塊完成對(duì)信號(hào)的低通濾波、功率放 大或衰減、隔離直流分量、直流疊加、整形、產(chǎn)生觸發(fā)等操作；數(shù)字控制部分是 整個(gè)示波表系統(tǒng)的核心，主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示，人機(jī)交換控制等 功能；a d 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分根據(jù)用戶的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換；電阻測(cè)量部分 是將被測(cè)元件經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路處理轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，將其送入另外的a d 轉(zhuǎn)換器，根據(jù)a d 轉(zhuǎn)換的結(jié)果，分析被測(cè)元件的參數(shù)值；電源供f 邑部分完成芯片 器件對(duì)不同電壓的供電要求；鍵盤輸入和液晶顯示部分完成人機(jī)交換功能，實(shí)現(xiàn) 不同功能的切換和對(duì)參數(shù)的設(shè)置。 2 。3 數(shù)字存儲(chǔ)示波表模擬通道部分設(shè)計(jì)吲 手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表模擬通道部分由信號(hào)通道與觸發(fā)通道兩部分組成。信 號(hào)通道由輸入偶合電路、衰減器、輸入保護(hù)、跟隨器、及控制電路組成，完成對(duì) 輸入信號(hào)的輸入偶合方式、信號(hào)衰減、保護(hù)控制及阻抗變換等信號(hào)調(diào)理功能。觸 發(fā)通道主要根據(jù)外部信號(hào)的特點(diǎn)，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，用來控制a d 采集數(shù)據(jù)的起始 點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)周期信號(hào)的穩(wěn)定顯示。 2 3 1 信號(hào)通道設(shè)計(jì) 作為測(cè)量?jī)x器，示波表測(cè)量的信號(hào)類型可能是直流，也可能是交流，或者既 基于s o p c 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬件實(shí)現(xiàn) 包含直流成分，也包含交流成分；信號(hào)的幅度從零到正負(fù)幾百伏不等；信號(hào)的頻 率從直流到幾十兆h z 。對(duì)于不同的信號(hào)，必須先經(jīng)過信號(hào)通道對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)?變換后才能送給a d 采樣。圖2 - - 2 、圖2 - - 3 為模擬信號(hào)通道的耦合、衰減和放 大、保護(hù)、調(diào)理部分設(shè)計(jì)，下面對(duì)其工作原理做簡(jiǎn)要說明： 圈2 - 2 信號(hào)通道的耦合、保護(hù)、衰減、放大部分設(shè)計(jì) 由繼電器控制的開關(guān)k 3 0 3 來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入耦合，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，直流信 號(hào)通過，為直流耦合；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，只有交流成分通過，為交流耦合。在電路 中串入r 3 0 5 用以限流作為模擬通道的保護(hù)電路。由繼電器控制的開關(guān)k 3 0 1 、丌 關(guān)k 3 0 0 和相關(guān)的排阻完成信號(hào)的衰減和放大。其中所有繼電器的操作是根據(jù)用 戶的需要，由c p u 在通道控制寄存器7 4 h c 5 7 4 完成設(shè)置的。寄存器的每位輸出控 制繼電器一個(gè)端口，系統(tǒng)通過改變寄存器的值完成對(duì)輸入通道的控制。在電路實(shí) 現(xiàn)中，系統(tǒng)將7 4 h c 5 7 4 低位觸發(fā)器的輸出端與相鄰高位觸發(fā)器的輸入端級(jí)連構(gòu)成 一個(gè)8 b i t s 的移位寄存器。c p u 只需要把數(shù)據(jù)串行寫入移位寄存器即可把控制信 息傳送到輸入通道電路。 基于s o p c 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬件實(shí)現(xiàn) 圈2 - - 3 信號(hào)通道的調(diào)理部分跬計(jì) 對(duì)于既包含有直流成分又包含有交流成分的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，要想使信號(hào)的交 流成分在l c d 界面上最優(yōu)化顯示，即直流成分顯示在液晶屏中心線，交流成分信 號(hào)幅度峰峰值約占二分之一到四分之三液晶顯示屏，那么必須對(duì)放大或衰減后的 信號(hào)疊加電平進(jìn)行調(diào)理。本設(shè)計(jì)是通過在送入a d 采樣前的信號(hào)增加一個(gè)放大電 路0 p a 6 5 5 ，正相輸入端為放大或衰減后的信號(hào)，反相輸入端為疊加電平，疊加 電平是由一個(gè)d a 轉(zhuǎn)換器的輸出端模擬信號(hào)提供的，其數(shù)字量是由c p u 根據(jù)用戶 的需求來設(shè)置。 此外，在實(shí)際測(cè)量中，往往通過鍵盤的輸入實(shí)現(xiàn)波形的上下移動(dòng)，波形在運(yùn) 行模式下的上下移動(dòng)也是通過改變疊加電平完成的。 2 3 2 觸發(fā)信號(hào)電路設(shè)計(jì) 觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路主要是解決信號(hào)采樣起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的問題。觸發(fā)信號(hào)來 源于信號(hào)本身( 內(nèi)觸發(fā)) 或外觸發(fā)輸入端，由于這些信號(hào)不一定是規(guī)則的方波或 脈沖，所以，在將這些信號(hào)作為數(shù)字量輸入到f p g a 控制采樣時(shí)鐘之前，需要通 過比較電平對(duì)他們進(jìn)行整形。整形電路是由正反饋放大電路實(shí)現(xiàn)的。整形之后的 數(shù)字信號(hào)被f p g a 處理后形成各種觸發(fā)形式的信號(hào)，然后由c p u 的控制字選擇采 取何種觸發(fā)方式來控制采樣時(shí)鐘起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。一句話，可以通過對(duì)觸發(fā)電平 ( 比較電平) 的設(shè)置，可以控制觸發(fā)點(diǎn)在信號(hào)周期內(nèi)的相位關(guān)系。 基于s o p c 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬件實(shí)現(xiàn) 圖2 4 觸發(fā)信號(hào)電路設(shè)計(jì) 觸發(fā)電路如圖2 4 所示，c p u 根據(jù)用戶選擇的觸發(fā)電平值產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制 字，控制字送入串行d a 轉(zhuǎn)換器( l t c l 4 4 6 i ) 產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的比較電平。觸發(fā)信號(hào)通 過選擇耦臺(tái)方式后與比較電平進(jìn)行比較，形成經(jīng)過整形的數(shù)字信號(hào)作為觸發(fā)源， 然后根據(jù)觸發(fā)功能選擇字選擇是上升沿觸發(fā)還是下降沿觸發(fā)。由于觸發(fā)信號(hào)是由 被測(cè)信號(hào)本身的特征決定的，這就要求整形放大器的工作頻率至少包含被測(cè)信號(hào) 的最高工作頻率。否則不能穩(wěn)定觸發(fā)，示波表也就失去測(cè)量的意義。 2 4 數(shù)字存儲(chǔ)示波表數(shù)字控制部分設(shè)計(jì) 數(shù)字存儲(chǔ)示波表數(shù)字控制部分的設(shè)計(jì)是最重要的環(huán)節(jié)，它是示波表系統(tǒng)的核 心。對(duì)于運(yùn)算量大、外設(shè)多、控制復(fù)雜的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)來說，數(shù)字部分的設(shè) 計(jì)直接影響著示波表的性能。從另外一個(gè)角度來看，數(shù)字部分軟硬件開發(fā)環(huán)境的 選擇，開發(fā)所使用的技術(shù)在設(shè)計(jì)周期、系統(tǒng)升級(jí)性方面也是必須考慮的因素。本 設(shè)計(jì)選用a l t e r a 公司的s t r a t i x 系列器件，采用s o p c 技術(shù)，在f p g a 中嵌入處 理器n i o s 核，使得f p g a 靈活的硬件設(shè)計(jì)和硬件實(shí)現(xiàn)與處理器的強(qiáng)大的軟件功能 有機(jī)地相結(jié)合，高效地完成數(shù)據(jù)處理和控制功能。采用s o p c 技術(shù)設(shè)計(jì)嵌入式系 統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)1 2 j ，在下一章中詳細(xì)介紹。圖2 - - 5 為數(shù)字控制部分實(shí)現(xiàn)框圖： 基于s o p c 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬件實(shí)現(xiàn) 圖2 5 數(shù)字控制部分實(shí)現(xiàn)框圖 設(shè)計(jì)初期，我們先采用a l t e r a 公司的n i o s s t r a t i x l s l o 開發(fā)板進(jìn)行數(shù)字 部分軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試，該開發(fā)板的外形如圖2 6 所示，主芯片型號(hào)為 e p l s l o f 7 8 0 c 6 。利用a 1 t e r a 公司軟件q u a r t u si i 作為開發(fā)環(huán)境。我們通過 o u a r t u si i 開發(fā)環(huán)境中s o p cb u i l d e r 工具配置了3 2 位總線( 用戶可選) 指令 集和數(shù)據(jù)通道的嵌入式系統(tǒng)微處理器i p 核，采用a v a l o n 總線結(jié)構(gòu)，具有增強(qiáng)的 內(nèi)存、調(diào)試和軟件功能。此外，基于q u a r t u si i 平臺(tái)所編輯的n i o s 核含有許多 可配置的接口模塊核，其中包括：可配置高速緩沖器( 包括片內(nèi)e s b 和片外s r a m 或s d r a m ，l o o m 以上單周期訪問速度) 模塊、r s 2 3 2 通信接口、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié) 議接e l 、d m a 、定時(shí)器、協(xié)處理器等等。在植入f p g a 前，先對(duì)n i o s 及其外圍接 口進(jìn)行構(gòu)建，按照要求配置好相應(yīng)的組件模塊，s o p cb u i l d e r 系統(tǒng)組件庫(kù)中所 列出的每一個(gè)組件，都提供一個(gè)以一些表格來描述該組件的文件，以及另一個(gè)用 來描述接口信號(hào)及數(shù)據(jù)傳輸要求的文件。根據(jù)這些信息，s o p cb u i l d e r 自動(dòng)生 成一個(gè)包含所有譯碼邏輯、仲裁邏輯、中斷控制、等待狀態(tài)控制以及用于連接處 理器與外設(shè)的數(shù)據(jù)通道匹配邏輯的網(wǎng)絡(luò)。s o p cb u i l d e r 庫(kù)組件可以是非常簡(jiǎn)單 的模塊子系統(tǒng)。 對(duì)于大多數(shù)處理器接口而言，只需通過將處理器信號(hào)類型與 a v a l o n 對(duì)等信號(hào)類型匹配，外部存儲(chǔ)器接口即可以簡(jiǎn)單連線形式與f p g a 及 基于s o p c 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬t i ：實(shí)現(xiàn) a v a l o n 總線連接。我們?cè)谙到y(tǒng)中還方便地使用自定義外設(shè)完成了f i f o 與總線的 連接，s o p cb u i l d e r 通過其“接口至用戶邏輯向?qū)А蓖耆С钟脩糇远x組件， 該向?qū)?dǎo)入用戶的設(shè)計(jì)文件來讀取端口列表，我們只需將模塊信號(hào)名映射到對(duì)等 的a v a l o n 信號(hào)類型上。 圖2 6a l t e r a 公司的n i o s s t r a t i x 一1 s i o 開發(fā)板圈 2 5 數(shù)字存儲(chǔ)示波表a d 采樣部分設(shè)計(jì) 作為模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)之間的門戶，a d 轉(zhuǎn)換器件是示波器系統(tǒng)的關(guān)鍵部 件之一。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中必須根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)來選擇合適的a d 器件參數(shù)， 從而確定具體使用的器件。一般而言，在a d 器件的選擇過程中主要需要考慮以 下參數(shù)【3 0 】： ( 1 ) 分辨率：它相應(yīng)于最低二進(jìn)制( l s b ) 的模擬量。它規(guī)定了a d 轉(zhuǎn)換器 能夠區(qū)分的模擬量的最小變化值。因?yàn)槟軌驖M足分辨率的模擬量的值取決于二進(jìn) 制數(shù)，所以通常采用位數(shù)表示分辨率，比如：4 位、8 位、1 2 位等。 ( 2 ) 量化誤差：a d 轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量。對(duì)一定 范圍內(nèi)的連續(xù)變化的模擬量只能反映成同一個(gè)數(shù)字量。所以存在1 2 l s b 的量化 誤差。這個(gè)誤差是量化過程中不可避免。 ( 3 ) 精度：除了量化誤差，還有其他的因素，非線性引起的誤差。在手冊(cè) 基于s o p c 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬件實(shí)現(xiàn) 中，對(duì)這種附加誤差的總和，成為不可調(diào)誤差，實(shí)際上就是a d 轉(zhuǎn)換器調(diào)整到最 精確的時(shí)候還存在的誤差。精度指的是量化誤差和附加誤差之和。 ( 4 ) 轉(zhuǎn)換時(shí)聞：a d 轉(zhuǎn)換時(shí)間是指扶發(fā)出轉(zhuǎn)換啟動(dòng)命令開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束獲得 整個(gè)數(shù)字信號(hào)的過程所需要的時(shí)間。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的示波表主要測(cè)量2 0 m h z 以下單通道模擬信號(hào)，信號(hào)幅度經(jīng)過調(diào) 理后限定在一0 5 v - - + o 5 v 范圍內(nèi)。由于最終結(jié)果送到3 2 0 * 2 4 0 象素點(diǎn)的l c d 液 晶顯示器，有8 位數(shù)據(jù)的精度足以滿足要求。根據(jù)這些要求，設(shè)計(jì)選擇a n a l o g d e v i c e s 公司8 位i o o m s p s 高速a d 轉(zhuǎn)換器a d 9 2 8 3 為系統(tǒng)提供模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。 a d 9 2 8 3 主要性能指標(biāo)如下 1 9 】： ( 1 ) 精度：8b i t s ( 2 ) 采樣速率：i o o m s p s ( 3 ) 低功耗：典型值9 0 m w ( 1 0 0 m ) ( 4 ) 輸入模擬信號(hào)帶寬：4 7 5 m h z ( 5 ) 2 7 v 3 6 v 單電源供電 ( 6 ) 數(shù)字信號(hào)輸出與t t l c m o s 電壓兼容 ( 7 ) 掉電模式 ( 8 ) 三態(tài)輸出 ( 9 ) 最小轉(zhuǎn)換速率：1 m h z ( 1 0 ) 管線延遲：4 個(gè)時(shí)鐘周期 選用a d 9 2 8 3 原因除考慮到示波表采樣頻率1 0 0 m 能滿足要求外，該芯片供電 電壓為3 3 v ，正好與可編程器件電壓一致，其功耗較低，典型值為9 0 m w ，這也 是便攜式設(shè)備中非常重要的考慮因素之一。 矗嘲 咐 e 啪啦 v dh 哪w nv n o 圖2 - - 7a d 9 2 8 3 器件的功能框劇 基于s o p c 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬仆實(shí)現(xiàn) 2 5 1 a d 9 2 8 3 硬件控制電路設(shè)計(jì) 圖2 - - 8a d 9 2 8 3 硬件電路原理圖設(shè)計(jì) a d 采樣電路原理如圖2 8 所示，管腳1 為掉電設(shè)置，當(dāng)電平為高時(shí)，為掉 電方式，此時(shí)輸出為高阻態(tài)：管腳3 為參考電壓，其中參考電壓是用戶通過鍵盤 來設(shè)置的，電路實(shí)現(xiàn)方法是由c p u 在串行d a 轉(zhuǎn)換芯片中寫入數(shù)字量，d a 模擬 信號(hào)輸出量通過適當(dāng)?shù)碾娖秸{(diào)理作為a d 9 2 8 3 的參考電壓；a d 9 2 8 3 模擬輸入端信 號(hào)是由模擬通道提供的，范圍在一o 5 v o 。5 v 之間，前端具有保護(hù)電路。 2 5 2 a d 9 2 8 3 采樣時(shí)鐘設(shè)計(jì) a d 器件最高采樣頻率決定著示波表測(cè)試信號(hào)的頻帶范圍，a d 9 2 8 3 最高采樣 頻率為l o o m ，最低采樣頻率為l m ，而示波表對(duì)采樣結(jié)果取數(shù)頻率按照時(shí)基分級(jí)， 其范圍從直流到l o o m 連續(xù)變化，這就要求電路設(shè)計(jì)既要考慮到a d 器件工作特 性處于最佳信噪比狀態(tài)，也要考慮到f i f o 必須在a d 輸出數(shù)據(jù)最穩(wěn)定時(shí)刻將數(shù) 取走。 下面對(duì)a d 9 2 8 3 的性能指標(biāo)和工作時(shí)序進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。表2 1 為a d 9 2 8 3 在 不同頻率采樣時(shí)鐘下的信噪比特性； 1 4 基于s o p c 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬件實(shí)現(xiàn) 表2 - - 1a d 9 2 8 3 在不同采樣頻率下輸出信噪比特性 1 9 】 a d 9 2 8 3 1 吐a d 蛇鼬b r s - 3 橢 r e a e a r a , t e r t m m p l e v i越i mt y p l l r m i t d y n a & l cp e r f o 鼠酗塒c e 3 1 m 出m r e n i f2 5 屯v2n 5 0 r 凹w j 岵er c c e v l r d t i m e2 5 0 c v 2n 5 題刪- t 淵o bm o ( s n 磷 w i t h o u th a “m n n i 西、 = 1 0 j t2 5 0 ci4 6 5d h n = 2 7 m h z2 5 4 ct 4 65- i b 軋= 4 1 舭o ci4 54 # 5 d 1 島= 7 6 m 地2 s o cv4 6o d 日 s i 印直】4 n o 扭cr ac s d i 弛 e 弼山m m o n i c # ， h t 1 0 ，m h z 2 a cr4 5 d h h = 2 7 舭2 5 0 ci 4 5 5d b = 4 1m i zj 5 。cl4 2 54 5 d b 軸；7 6 m2 5 4 c v 2 5d h e 齔mn u m b e r 酣h 缸 f 兇= 1 0 3 慨囂屯l7 j b i h b = 2 7 舭2 5 6 ci 74掰 h = 4 1 m h z2 ，o c 7 ，且i 擁 e n - 7 6 姍t2 5 0 cvs9 k i s 2 耐i h 托l(wèi) d 面cn 州 n z1 0 3 m h z2 鏟ci5 7 d l t c n - 2 7 玨h2 5 0 ci 6 0d k k - d l 柵b2 5 e i5 05 b d b c h t7 6 #2 5 4 cv4 6 d 3 i dh 日m a 口kd 拓u , r f i o n b = l o 3 h2 ，o ci s 45d m k = 2 7 舭2 5 1 cl甄d 蜘= 4 1 蛐k2 5 4 ci4 75 25 d n t7 6 脅2 5 0 cv5 3 d k 1 k 扣1 b n t i m dd 遍刪相 n m d 、 = 1 0 ，瑚$2 5 。cv5 2d 由上表知a d 9 2 8 3 在i o m i o o m 之間有較好的輸出信噪比，在相對(duì)較低的采 樣時(shí)鐘時(shí)具有較高的信噪比和較多的有效數(shù)據(jù)位，所以采用分級(jí)時(shí)鐘控制能獲得 較好的信噪比。我們按照時(shí)基1 - - 2 5 分級(jí)設(shè)計(jì)了a d 四種采樣時(shí)鐘，分別為 1 0 0 m 、5 0 m 、2 5 m 、i o m 。 圖2 9a d 9 2 8 3t 作時(shí)序圖 基于s o p c 技術(shù)的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表硬件實(shí)現(xiàn) a d 9 2 8 3 工作時(shí)序如圖2 9 所示，a d 器件輸出數(shù)據(jù)在采樣時(shí)鐘上升沿之后 變換，在c l k 下降沿處具有穩(wěn)定的輸出，按照此要求外圍控制器在a d 時(shí)鐘的下 降沿處將其輸出數(shù)據(jù)鎖存以待下一步處理。 從a d 9 2 8 3 的工作頻率來看，由于其轉(zhuǎn)換頻率范圍有限，取數(shù)的任務(wù)主要交 給f i f o 采樣控制器來完成。首先由f p g a 對(duì)外部晶振產(chǎn)生的l o o m 時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行 分頻，分別產(chǎn)生另外5 0 m 、2 5 m 、i o m 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)，c p u 通過設(shè)置頻率選擇控制 字來選擇a d 的采樣頻率。a d 采樣頻率與信號(hào)頻率對(duì)照如表2 - 2 ： 表2 2a d 采樣頻率與信號(hào)頻率范圍對(duì)照表 信號(hào)頻率范圍a d 采樣頻率頻率選擇控制字 1 0 0 m h z1 0 0 i m z0 0 5 0 z5 0 塒z0 l 2 5 刪z2 5 姍z1 0 l o 刪z 及以下1 0 m h z1 l 2 6 數(shù)字存儲(chǔ)示波表電阻測(cè)量部分設(shè)計(jì) 萬