基于FPGA技术的数字存储示波器设计Word文件下载.docx
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1.1数字存储示波器的发展概况
以前的数字示波器的屏幕更新速率慢，无实时采集能力。
九十年代之后，示波器技术得到了飞速发展。
比如HP公司推出的54600B系列数字示波器克服这个更新速率慢的问题。
这样，输入信号变化，立即就可以看到显示的变化。
例如Tektronix公司的TDS684A型4通道1GHz的数字示波器采用了获专利的数字实时取样技术，并增加了转换率触发和建立与保持触发功能。
更新速度也更快。
同时泰克公司宣布的DP04000数字荧光示波器，该系列示波器系列拥有350MHz--1GHz的带宽，率先提供了突破性的WaveInspector技术。
在2005年下半年推出几种新型数字存储示波器，其中600MHz和1GHz两种带宽的示波器采用了安捷伦最新一代MegaZoom专利技术，具有最深的存储器和最多的集成通道数以及业内领先的波形观察能力。
目前一些国内厂商开始进军手持数字示波器这一高端领域。
虽然，从市场需要来看，20MHz带宽的数字存储示波器产品在市场中占有很大的比例。
一般20MHz的带宽可以满足很多人的需求。
面对这样的行业需求，所以国内示波器生产企业把产品性能设定在20MHz带宽、100MSa／s采样率。
采用双通道数据采集，一般是单色LCD显示。
尽管我国国产示波器处于起步阶段。
但是我国手持数字存储示波器的生产企业在其产品的研发过程中，除了有自己的独立研发中心外，同时也与国内高校进行资源整合，例如电子科技大学就通过与企业合作进行示波器的研发。
通过与高校实验室的技术与科研的交流与合作，加强研发团队的科研水平，进一步提高产品的竞争力。
1.2本文所做的研究工作
DSP是16位的RISC处理器，高性能、低功耗是其显著特点。
并被广泛应用于各种嵌入式领域。
比如在雷达信号处理，数字图像处理方面等等。
FPGA是复杂可编程逻辑器件，它具有速度快、稳定性高、设计灵活和价格低廉等许多优点。
DSP和FPGA都是现在非常流行的，其性价比也是非常的高。
也是两款技术非常成熟的芯片。
本文所做的研究工作就是利用这两款芯片进行数字存储示波器的研究和设计。
本文进行了底层硬件平台的研究设计、少量的软件驱动程序的设计和示波器的常用算法的研究工作。
例如，根据设计便携式数字存储示波器的实际需要，采用了DSP+FPGA+单片机的设计方案；
研究了高频电路的设计方法，独立完成了整个系统的硬件电路设计，并对其中的某些功能模块进行了调试，给出了部分调试报告；
研究了FFT、滤波、插值算法。
本文的目的是采用FPGA+DSP+单片机来设计一个100M（重复带宽）的数字示波器。
本设计中DC/100MHz的被测信号经过前端电路把信号调整到AD输入电压的范围之内，经过AD转换变成数字信号，送到DSP中进行相关处理，之后通过DSP多缓冲串口送到单片机中，再由单片机把要显示的数据显示到LCD中的这么一个过程，去实现信号波形的检测。
本文已经完成了示波器硬件平台的搭建，对前端模拟电路的某些部分做了一下改进，触发电路部分抛弃了传统的模拟触发方式，采用了全数字化的触发方式。
同时由于本文采用FPGA，使得数字存储示波器的设计较为灵活，容易升级，可以根据用户的需要实现电路的升级。
在软件方面，由于示波器的软件量是非常庞大的。
所以要想在很短的时间来完成它也是不可能的。
本文只是完成了硬件平台的部分驱动程序。
同时对示波器所要使用到的相关算法进行了相关的研究。
本课题是一个庞大的系统，其实践性很强，涉及知识非常多，受限于时间和个人的知识水平，尚存在以下不足之处需要以后加强。
不足之处有：
系统整体性能还有待进一步提高。
包括示波器的带宽、存储深度，尤其是存储深度有待进一步提高，同时DSP的存储器容量也有待提高。
整个系统LCD的更新速度有点慢，需要不断改进提高这个系统显示的更新速度。
第2章示波器的工作原理
2.1示波器的工作原理
了解示波器的工作原理是设计好示波器的第一步。
示波器可以分为模拟示波器、数字存储示波器二类。
下面对这两种示波器的工作原理作简要的介绍。
2.1.1模拟示波器的基本工作原理
模拟示波器工作方式是直接测量信号电压，并通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。
示波器屏幕通常是阴极射线管（CRT）。
电子束投到荧幕的某处，屏幕后面总会有明亮的荧光物质。
当电子束水平扫过显示器时，信号的电压是电子束发生上下偏转，跟踪波形直接反映到屏幕上。
在屏幕同一位置电子束投射的频度越大，显示得也越亮。
设置垂直标度（对伏特/格进行控制）后，衰减器能够减小信号的电压，而放大器可以增加信号电压。
随后，信号直接到达CRT的垂直偏转板。
电压作用于这些垂直偏转板，引起亮点在屏幕中移动。
信号也经过触发系统，启动或触发水平扫描。
水平扫描是水平系统亮点在屏幕中移动的行为。
触发水平系统后，亮点以水平时基为基准，依照特定的时间间隔从左到右移动。
许多快速移动的亮点融合到一起，形成实心的线条。
图2-1给出了模拟示波器的体系结构图。
图2-1模拟示波器体系结构图
2.2数字（存储）示波器的工作原理
数字存储示波器不是将波形存储在示波管内的存储栅网上,而是存在存储器中,因而存储时间可以无限长。
数字存储示波器主要利用A/D转换技术和数字存储技术来工作,它能迅速捕捉瞬变信号并长期保存。
该示波器首先对模拟信号进行高速采样以获得相应的数字数据并存储,存储器中储存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形;
然后利用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算,从而获得所需要的各种信号参数;
最后,该示波器根据得到的信号参数绘制信号波形,并对被测信号进行实时、瞬态分析,以方便用户了解信号质量,快速准确地进行故障诊断。
数字存储示波器将输入模拟信号经过AD/转换,变成数字信号,储存在半导体存储器RAM中,需要时将RAM中存储的内容读出显示在LCD,或通过DA/转换,将数字信号变换成模拟波形显示在示波管上。
数字存储示波器可以采用实时采样,每隔一个采样周期采样一次,可以观察非周期信号川。
数字示波器的采样方式包括实时采样和等效采样（非实时采样）。
等效采样又可以分为随机采样和顺序采样,等效采样方式大多用于测量周期信号。
图2-2表数字示波器工作原理框图。
图2-2数字示波器工作原理框图
第3章DSP处理器和FPGA的开发过程简介
DSP在数字图像处理，音频信号处理等方面有着非常广泛的应用。
它以其专门的硬件乘法器，特殊的信号处理指令使得它高速的运算速度比最快的CPU还快上好几十倍。
FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
FPGA的使用非常灵活，同一片FPGA通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。
FPGA在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。
本章主要是针对DSP、FPGA的发展情况和开发流出作简要的介绍。
3.1DSP处理器的开发过程和应用
随着DSP应用范围的扩大、处理能力的加强以及DSP更新速度的加快，DSP处理系统越来越复杂，对设计者来说难度也越来越大，为此有的厂家已产生出一定标准，依据标准来设计生产电路板的DSP处理模块，同时为这种标准模块提供丰富的软件开发系统和算法库。
其中典型的如TMS320C4X和SDSP2106X，它们可以通过通信口和全局总线插座，将若干个模块安装在母板上，方便地组成多处理器系统。
这种模块化设计降低了硬件设计难度，减少了硬件设计时间，有利于更高效的开发DSP系统。
目前各DSP芯片生产厂家已经把以上列出的各开发工具集成在一起,构成集成开发环境。
例如TI公司的CCSIDE（CodeComposerStudioIntegratedDevelopmentEnvironment）可以提供环境配置、源程序编辑、编译连接、程序调试、跟踪分析等各个环节，以加速软件开发进程，提高工作效率。
它把编译、汇编、链接等工具集成在一起，用一条命令即可完成全部的汇编工作。
另外把软、硬件开发工具集成在其中，使程序的编写、汇编、程序的软/硬件仿真和调试等开发工作在统一的环境中进行，给开发工作带来极大的方便。
3.1.1DSP处理器发展历程以及发展现状
DSP发展历程大致分为三个阶段：
70年代理论先行，大概在70年具备了完整的DSP的理论和算法基础。
80年代DSP产品开始普及，随着电子技术的高速发展，1982年世界上诞生了第一块DSP芯片，很快DSP在语音合成和编码解码器中得到广泛应用。
再加上CMOS工艺的诞生，使得DSP芯片的集成度性能都得到空前的提高，其存储容量和运算速度也成倍提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。
90年代突飞猛进。
90年代相继出现了第四代和第五代DSP器件。
将DSP芯核及外围组件综合集成在单一芯片上。
同时DSP的价格也大幅度下降，使得DSP芯片不仅在高端的通信、计算机领域大显身手，而且在低端的家用电器等方面DSP也是应用越来越广泛。
3.1.2DSP处理器的具体开发流程
对于DSP开发来说，可以根据不同情况来决定是否要选择操作系统。
操作系统的使用可以在一定程度上缩短开发周期，但是操作系统对于实时性很高的场合来说就不一定合适。
而没有操作系统的开发方式相对来说可能比较复杂一些，需要用户对DSP的硬件架构，对DSP的外围电路的驱动等非常熟悉。
开发过程的时候，所有程序都是从硬件调试到初始化程序和应用程序都在CCS中进行开发。
需要操作系统的开发方式相对来说简单一些，但是如果加入了操作系统之后，由于操作系统可以屏蔽到硬件的相关细节，用户即使不了解硬件的相关细节也可以进行开发，使得用户可以把精力专门集中在应用程序的开发上来。
同时可以缩短开发周期。
DSP开发工具主要包括有：
C语言编译器（CCompiler）、汇编语言工具、汇编器（Assembler）、连接器（Linker）、归档器（Archive）、交叉引用歹愫（CrossReferenceLister）。
如果是C语言程序，首先是C语言编译器将程序编译成汇编语言源程序，然后送到汇编器里面进行汇编，汇编后产生COEF格式的目标代码，再用连接器进行连接，生成DSP上可以执行的COEF格式的目标代码。
然后就可以利用调试器对代码进行调试。
调试正确之后就可以把代码写入到Flash里面了。
开发流程图3-1所示：
图3-1DSP的开发流程
3.2FPGA的开发过程与应用
随着现场可编程逻辑器件越来越高的集成度，加上不断出现的I/O标准、嵌入功能、高级时钟管理的支持，使得现场可编程逻辑器越来越广泛。
3.2.1FPGA发展历程及现状
从Xilinx公司推出了世界上第一片FPGA（现场可编程逻辑芯片），FPGA已经历几十年的发展。
从最初的一千多可利用门，发展到90年代的几十万个可利用门，到十一世纪又陆续推出了几千万门的单片FPGA芯片。
FPGA使用灵活，适用性强，特别适用于复杂逻辑的设计，有利用电子系统小型化，而且其开发周期短、开发投入少、芯片价格不断降低，促使FPGA越来越多地取代了ASIC的市场。
3.2.2FPGA开发流程
FPGA开发流程可以分为如下几步：
①设计输入，设计输入主要包括原理图输入、状态图输入、波形图输入以及某种硬件描述语言，比如说是VHDL、Verilog的源程序。
它是利用这些输入去描述一个电路的功能。
②功能仿真，功能仿真就是利用相关仿真工具对相关电路进行功能级别仿真，也就是说对你的输入设计的逻辑功能进行相关的模拟测试。
在功能上面来了解电路是否能够达到预期要求。
这里的功能仿真纯粹是模拟性质的，不会设计的任何具体器件的硬件特性。
③综合，综合就是行为或者功能层次表达的电子系统转换成低层次门级电路的网表。
④布局布线，就是将综合后的网表文件针对某一个具体的目标器件进行逻辑映射。
此时应该使用FPGA厂商提供的实现与布局布线工具，根据所选芯片的型号，进行芯片内部功能单元的实际连接与映射。
⑤时序验证，就是要使得时序仿真过程中，建立与保持时间要符合相关的制约，以便数据能被正确的传输。
使仿真既包含门延时，又包含线延时信息。
能较好地反映芯片的实际工作情况。
⑥生成SOF等文件，此文件可以通过调试器把它下载到系统中间去。
而FPGA设计流程的其他步骤基本上由相关工具去完成，因此只要自己设置好相关参数，不要人为干预太多。
而验证的话就需要用户花费大量的时间去完成。
第4章整体设计方案
在数字存储示波器的设计中主要分为两大部分：
硬件设计和软件设计。
本章主要介绍示波器系统整体的设计流程，系统整体性能参数以及最终方案的确定。
并对所选的方案做了详细介绍，根据此方案确定了元器件的选择。
4.1系统整体设计流程图
开始设计一个系统的时候，第一步是撰写整个系统的方案。
对整个系统如何实现应该有个详细的了解。
方案确定之后，就要设计这个系统的具体性能指标。
再然后根据这个系统的性能指标选择相关的元器件。
这之后，就可以进行软硬件设计了。
一般硬件和软件开发可以同时进行。
这样在完成系统的软件和硬件之后。
分别对软件和硬件进行调试。
分别调试完成之后，就进行系统的集成。
之后再进行整个系统的测试工作。
图4-1给出了系统的整体设计流程。
图4-1系统的整体设计流程
4.2整个系统的性能指标
考虑到同类国产的示波器的性能指标，以及在具体电路中整个系统的实现难9易程度。
故将设计目标定位于带宽在100M左右的数字存储示波器。
并从成本等方面考虑，整个示波器系统只做了一个通道。
采用的芯片也是尽量采用比较容易在市场上买到的和相对便宜的。
同时由于时间等原因，本文只完成了整个系统的硬件设计和部分驱动程序的编写。
并且对硬件电路进行了调试。
调试的电路结果基本上达到了当初所想要达到的指标。
但整个系统集成起来的调试工作还没有进行。
便携式数字存储示波器期望达到的具体设计参数如下：
①带宽：
100MHZ（重复带宽）
②通道：
单通道
③采样率：
100MSPS（实时采样）；
④垂直分辨率：
8位
⑤垂直灵敏度：
10mv-5v/div
⑥水平灵敏度：
2.5ns-5S/div
⑦输入阻抗：
1MΩ
⑧工作模式：
自动，单次，常规
⑨存储深度：
4KB
⑩显示：
LCD（黑白；
整个屏幕192x64点阵；
对比度可调）
4.3系统的实现方案
数字存储示波器的设计方法一般是：
信号通过调理电路之后，送到AD转换器将被测信号数字化，并将数据存入到存储器中，在信号出现触发脉冲之后，就可以开始显示数据。
然后处理器从存储器中读出数据，直接以数字信号（显示器为液晶的时候）的形式，送到相应的显示器中进行显示波形。
方案：
采用DSP+FPGA+单片机来实现整个系统。
本设计就采用这个架构。
这个结构既继承了采用DSP和FPGA的优点，同时也克服了因为LCD和键盘处理电路的速度慢而导致浪费DSP的时间资源的这个缺点。
在本方案中，把LCD和键盘处理电路全部交给单片机进行管理。
在这里DSP把数据通过多缓冲串口发送给单片机，然后由单片机把从DSP中接收到的数据送到LCD中去显示。
同时单片机也可以读取键盘中的数据，通过串口发送给DSP芯片，进而去控制相关的电路。
系统的整体设计框图如图4-2所示。
图4-2系统的整体设计框图
4.3.1实现方案的介绍
从图4.2中可以看出，整个硬件平台和其他的数字存储示波器一样也是采用模块化设计的方式，整个系统基本上是由三大部分模块组成：
它们分别为数据采集部分、数据处理部分和数据显示部分。
数据采集部分完全由FPGA来进行控制，DSP只负责数据的后期处理，系统其他功能由单片机来实现。
FPGA要控制前端数据通道，对采集到的数据缓存，而且还要使数据缓存单元和DSP处理器进行通信，这在整个系统中具有重要的地位。
同时又由于FPGA的可编程性，使得前端采集电路的设计非常灵活，调试起来也非常方便。
DSP主要负责把采集的数据进行处理。
比如像滤波、傅立叶变换等，同时负责波形重建，波形重建这里主要会采用内插算法来重建波形。
而后端的单片机主要负责系统的人机接口和数据显示。
整个系统的工作流程是这样的：
由上图也可以看出，要测量的波形经过衰减或者放大电路之后分为二路：
一路送整形电路整形之后产生矩形波信号，然后利用FPGA的测频电路测量波形的频率；
另外一路送A/D转换器进行AD转换。
AD的采样率使它恒定为1OOM/S。
转换后的数字信号要先送到FIFO存储器中暂存，FIFO的存储是靠FIFO的写时钟来实现，而FIFO的写时钟是由FPGA中的分频电路产生的。
这样示波器就能根据用户键盘中设置的相关参数选用想要的读写时钟。
FIFO就利用FPGA中的RAM资源。
比如这里选用的FPGA里面就有5K的RAM资源供用户选择。
这样数据采集进来就可以直接存储在FPGA中，这样做就不需要专门的FIFO芯片，同时直接在FPGA中定制FIFO存储器，可以提高整个系统的性能，使得整个系统的速度更快。
随着写时钟的到来，FFIO存满之后，DSP处理器就从FIFO中读取数据来进行处理，处理之后就由DSP送到单片机中进行显示。
图中FLASH模块的是程序存储器，即整个系统的软件都固化在FLASH中。
RAM模块是数据存储器，整个系统运行的时候，首先DSP利用已经固化在ROM中的BOOT程序把FLASH中的程序搬到RAM中运行。
这里键盘和LCD模块是用来进行输入控制和输出显示。
在调试的时候同时我们也设计了两个JATG接口，分别用来对FPGA和DSP进行调试。
4.4元器件的选择
的选择也是非常重要的一环，如果选择的不好，就会严重影响进度。
在这里你选择的元件的时候要根据自器件的选择的总的指导原则是性价比高、市场上容易买到。
其实系统元器件己定制的系统性能指标选择能够满足要求的元件。
本系统所选择的元件如表4-3所示。
表4-3所选元件及功能介绍
第5章整个系统硬件设计
整个系统的关键电路其实还是在前端通道、模数转换这两块前端电路的设计，这主要是因为对于一个电路来说，如果信号频率达到100M的话，要考虑的因素就会很多，比如如何去减小电路中数字电路对模拟电路的信号的影响，因为模拟电路它是非常敏感的，一点点干扰就可能会使得被测的信号出现失真，同时对于高频电路来说，阻抗匹配等因素也是会影响到整个电路的性能。
这样对于前端调理电路来说，就会碰到动态范围、宽频的挑战。
图5-1为硬件平台的总体框图，从图5-1可以看出，整个硬件平台主要包括有四个部分模块，分别为：
前端数据采集部分硬件电路设计；
FPGA内部控制逻辑和外围电路；
数据处理部分的硬件设计；
平台调试接口；
电源、晶振及复位电路模块。
然后按照被测信号的走向依次对图中的每个部分中的每一个硬件模块进行介绍，主要介绍各模块的功能、工作原理、实现方法，以及具体实现的电路图。
图5-1硬件平台的总体框图
5.1前端数据采集部分硬件电路设计
这部分的电路主要有信号衰减、放大电路、信号整形电路、AD转换电路以及这些电路与FPGA的接口电路。
下面分别来进行介绍。
5.1.1信号的衰减电路
被测信号从前端输入进来，为了满足AD转换的电气性能首先必须把信号调节到一个合适的范围之内。
通常情况下，如果输入进来的被测信号的电压范围超过AD转换的电压范围时，就要对信号衰减，这种衰减电路我们必须考虑输入信号的频率高低。
由于在衰减过程中，频率范围很宽的时候很容易出现畸变，所以通常做衰减网络的时候采用的是无源电阻、电容网络。
这种无源阻容网络由于信号的频率特性，比如说在低频的时候就直接表现为电阻分
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