电子设计大赛基于FPGA的数字示波器.docVIP

本系统基于示波器的基本原理，通过阻抗匹配和程控放大对被测信号处理后，利用ADC9220以不同的采样率对信号进行实时采样和等效采样，使示波器输入阻抗≥1MΩ,并实现了对频率范围10Hz~20MHz，峰峰值10mV~8V的输入信号垂直分辨率1V/div、0.1V/div、2mV/div三档可调，水平扫描速度20ms/div、200us/div、20 us/div、2 us/div、100 ns/div五档可调。利用软件检波和等精度测频的方法，达到了题目中信号电压、频率测量误差≤5%的要求。仪器采用内部触发方式，且实现了触发电平可调，增加了存储/调出、单次触发及波形水平移动的功能。该系统采用矩阵键盘和点阵式液晶显示器，人机界面友好，操作简单方便。 一、系统总体实现方案 系统由分辨率控制模块，触发控制模块，软件检波模块，存储/释放与单次触发控制模块，内部双口RAM，人机交互控制模块构成。用户通过人机交互选择需要示波器实现的功能。单片机经总线对FPGA内部各个硬件电路模块进行控制，各个模块间经由总线进行数据交换。在选择不同的水平、垂直分辨率时，在89S52的控制下，程控放大选择不同的档位，AD9220采用不同的采样速度。AD9220将信号送入双口RAM中，并能在通用示波器中显示信号波形，其中，扫描速度要求含20ms/div、1ms /div、20μs /div、2μs /div、200 ns/div五档，垂直灵敏度要求含1V/div、0.1V/div、2mV/div三档。此外，系统还具有单次触发、存储波形、波形水平移动等功能可供选择。 二、系统实现框图?? ? 图?1??系统实现框图 三、理论分析与计算 1.AD采样率的分析 ????????为了实现题目要求的扫描速度，需要控制系统的AD采样率，在信号显示时每一屏为200个点且水平分辨率≥20点/div的情况下，最高采样率为1Msa/s时，可以达到的扫描速度为20us/div。为达到更高的扫描速度，需采用等效采样。 ?等效时间采样是一种用低频信号采样高频信号的一种方法，即对每个周期仅采样一个点，经过若干个周期后就可对信号各个部分采样一遍，而这些点可以借助步进延迟方法均匀地分布于信号波形的不同位置。设输入信号周期为T,△t为一段很短的时间间隔，则在采样时钟周期为Tc，且Tc＝m×T＋△t（m为正整数）时，等效采样频率f0满足f0=1/△t，实时采样时钟频率fc=1/Tc＝1/(m×T+△t)，调整m的值可使采样时钟频率1MHZ，同时，由于最高输入频率为10MHZ，假设我们对10MHZ信号一个周期采样20个点，就可实现题目要求的200MSa/s的等效采样率，分析可得△t=5ns，在FPGA中将40MHz的时钟倍频至200MHz，即可产生5ns的时间间隔。 在实现等效采样时采用顺序等效采样，用具有时序的宽度极窄的采样脉冲在被测信号不同周期的不同相位处逐次进行采样， 采样脉冲相对信号起点来讲依次延时0、△t、2△t、3△t??～?n△t时间。以被测信号被整形后的脉冲信号作为触发事件，每到来一个新的触发事件就采集一个采样点。波形记录中有多少个存储位置就需要多少个触发事件。表一为不同扫描速度对应的AD采样速率。 表一??水平灵敏度各档位和AD采样率对应关系 示波器水平扫描速度 20ms/div 200us/div 20 us/div 2us/div 100ns/div AD采样速率 1Ksa/s 100Ksa/s 1Msa/s 10Msa/s 200Msa/s 2、放大器放大倍数的理论分析 垂直灵敏度越高，前端放大倍数越大。题目要求垂直灵敏度为1V/div，0.1V/div、?2mV/div，垂直刻度为8div，垂直分辨率为8级/div。对于不同的垂直灵敏度，示波器满度显示时输入信号的幅度为 由于ADC的输入电压峰峰值Vpp＝5V，因此需要通过程控放大器将输入电压调整到ADC的输入电压范围内。我们针对3个档位分别设计放大或者衰减电路，档位之间的切换使用模拟开关实现。表二为不同垂直灵敏度对应放大器的放大倍数。 表2??垂直灵敏度和放大器放大倍数对应关系 垂直灵敏度 1V/div 0.1V/div 2mV/div 放大器放大倍数 0.625倍 6.25倍 312.5倍 ? 四、主要功能电路的设计 1、程控放大电路 ????为了满足题目垂直分辨率的要求，需要设计三档不同的放大器。第一档位需要衰减0.625倍，采用电阻分压后接宽带、低噪LM6172射随的方式，可以达到衰减效果，6.25倍的放大器采用宽带运放OPA699接成的同相放大器。受到运放带宽的限制，312.5倍的放大器采用三片运放级联的方式。前两级采用低噪运放OPA211和宽带运放OPA699,后级采用高摆率运放THS3001,可以实现312