基于FPGA的数字存储示波器设计

苏建加 廖聪裕 鲁锦涛

中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院 430074

基于FPGA的数字存储示波器设计

苏建加 廖聪裕 鲁锦涛

中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院 430074

本文设计一个数字存储示波器，以FPGA芯片为核心，辅以430单片机和信号调理电路（电压跟随、三路放大、电平转换、触发电路等），采用实时采样和等效采样两种方法，能够实现垂直灵敏度、扫描速度、采样速率、触发电平可调，被测信号的显示波形应无明显失真等各项功能。

FPGA；430单片机；等效采样

1 引言

目前，示波器的采样率、存储深度不断提高，但是高性能的仪器价格十分昂贵。本文基于FPGA设计，采用一般采样率的MAX118，提出了一种新的等效采样方法，实现对高频信号的测量。同时仪器价格低廉，功能齐全，拥有较大得研究潜力和应用前景。

2 系统组成

本设计的系统分为信号调理电路和FPGA控制电路,信号调理电路的作用主要是对不同幅值、不同波形的输入信号进行调理，并通过AD采样输入FPGA中进行处理。FPGA一路产生需要显示的信号，另一路产生与显示信号同步的锯齿波信号，将两路信号输入显示屏时，就可以显示出波形。

3 数字示波器的硬件设计

本文设计的数字示波器输入阻抗为1MΩ，显示屏的刻度为8 div×10div，垂直分辨率为8bits，垂直灵敏度含1V/div、0.1V/div、2mV/div三档，即要求信号电压峰峰值为2mV～8V，于是设计了0.625倍衰减、6.25倍放大、312.5倍三路放大，使输入信号输出幅度范围在0V～2.5V，再经电压抬升电路，使电压幅度为0V～5V，满足AD转换器的输入电压范围。这样，每路放大输入电压峰峰值范围分别为：0.4V～8V、8mV～0.4V、2mV～8mV。

3.1 跟随电路设计

本设计阻抗匹配电压跟随电路采用LM318，其内部输入阻抗有3Ω，选用1.5Ω电阻来匹配阻抗，其等效阻抗为1Ω。跟随效果十分理想，频率可以达到10MHz以上不出现衰减。在整个通频带内平坦。

3.2 三路放大电路设计

在0.625倍的电压衰减电路中，本设计选用电阻分压实现，简单经济。但是，在高频段，峰峰值会有很大衰减，这是因为电路中的分布电容在起作用，使电阻上的电压衰减，可以通过在电阻上并联电容进行电压补偿解决。6.25倍放大电路选用了OPA699芯片。在放大电路输入端并联了两个1N5822，组成电压钳位电路。1N5822最大正向电压为0.5V，可避免在人为误操作下使输入电压过大，烧坏芯片。而电容C2可消除自激振荡，在R1两端并联C1可以解决高频的衰减。312.5倍三路放大电路中采用了OPA2652两级放大，OPA2652具有高宽带增益积、高摆率、低噪声等优点。其700MHz带宽增益积，典型1.5mV失调，能够很好的达到要求。通过两级放大，可以避免高频信号的衰减。

3.3 触发电路

4 数字示波器软件设计

4.1 FPGA软件设计

等效采样设计

本文采用顺序采样，产生精确的步进延迟电路是设计的关键。一般采用的是先测频然后根据频率得出周期T，最后再延迟。这种方法比较复杂。本文提出了一种新的方案：直接将触发电路的波形与标准时钟进行叠加，跳过了测频这一环节，节省了逻辑资源。思路分析如下：利用一个寄存器变量对触发电路的上升沿进行计数，而在下降沿时对标准高频时钟信号进行计数，当计数值等于对上升沿的计数值时就对一个新的信号进行翻转。这种做法会导致一个问题产生的信号并不是步进延迟电路，因为翻转只在下降沿进行，这会导致产生的信号的延迟包含于上升沿和下降沿中，这并不是需要的。解决的办法是每次在上升沿的时候也进行翻转，这就能够使得信号的延迟只含于下降沿中了。

4.2 FIFO的设计

FIFO结构模块如下：

主要由满标志、空标志、读时钟、写时钟、读指针与写指针控制对存储器的读写。当存储器为空时禁止读数据，当存储器为满时禁止写入。在读时钟时进行读操作，读指针加1。在写时钟时进行写操作，写指针加1。

5 结语

本设计是基于FPGA和430单片机的简易数字存储示波器。设计制作完成后，测试表明示波器可以较好的实现显示屏的刻度为8 div×10div，垂直分辨率为8bits，水平显示分辨率≥20点/div，垂直灵敏度要求含1V/div、0.1V/div、2mV/div三档，电压测量误差≤5%，实时采样速率≤1MSa/s，等效采样速率≥200MSa/s，扫描速度要求含 20ms/div、2μs/div、100 ns/div三档，触发电平可调，被测信号的显示波形无明显失真等功能。

系统可以将采集到的数据通过软件程序控制转换成相应的波形显示出来，显示的波形和输入信号的波形基本一致，能够实现数据采集、缓存、传输及波形显示等便携式采集系统的基本功能，具有非常广阔的应用前景。

[1]（日）松井邦彦,OP放大器应用技巧100例[M],北京：科学出版社,2006

[2]Bruce Carter主编，运算放大器权威指南[M]，北京：人民邮电出版社，2009

[3]张国雄，测控电路[M]，天津：机械工业出版社，2010

[4]李白，舒鹏飞，杨静竹，孟斌，简易数字储存示波器研究[J]，现代商贸工业 2009 年（12）

苏建加，男，福建省龙岩市永定县人，研究方向：通信工程。）