基于FPGA的简易数字存储示波器设计

0 引言
    高速数字化采集技术和FPGA技术的发展已经对传统测试仪器产生了深刻的影响。数字存储示波器(DS0)是模拟示波器技术、数字化测量技术、计算机技术的综合产物，他主要以微处理器、数字存储器、A／D转换器和D／A转换器为核心，输入信号首先经A／D转换器转换成数字信号，然后存储在RAM中，需要时再将RAM中的内容读出，经D／A转换器恢复为模拟信号显示在示波器上，或者通过接口与计算机相连对存储的信号作进一步处理，这样可大大改进显示特性，增强功能，便于控制和智能化。这种DSO中看到的波形是由采集到的数据经过重构后得到的波形，而不是加到输入端上信号的波形。本文采用基于FPGA的方式进行数据采集、数据处理等功能的设计。这种设计方案在高速数据采集上具有很多优点，如体积小、功耗低、时钟频率高、内部延时小、全部控制逻辑由硬件完成等，另外编程配置灵活、开发周期短、利用硬件描述语言来编程，可实现程序的并行执行，这将会大大提高系统的性能，有利于在系统设计和现场运行后对系统进行修改、调试、升级等。

1 系统实现方案
    根据设计指标要求，基于FPGA的系统结构如图1所示，主要由模数转换、数模转换、FPGA数据处理、数据存储四部分组成。由垂直分辨率大于或等于32点／div可知A／D、D／A转换器至少8位，系统选用AD976(16位A／D转换器)和AD669(16位D／A转换器)，由于受PLC I／0口数量的影响，AD976和DA669使用其中13位，RAM选HM6264(64k)，时钟采用125kHz，PLC选用EPFl0K10LC84一3。模拟信号通过A／D转换器将信号输入给FPGA，FPGA根据相关指令进行数据存储至RAM或将数据从RAM读出送给D／A转换器转换成模拟信号输出。

2 系统主要电路
    系统中FPGA数据处理模块将A／D输入、RAM数据存储和D／A输出连接在一起，实现信号的传递、存储等控制。输入电路中A／D转换芯片选用AD公司的AD976，它是16位高速，高精度A／D转换器，最大采集率为100kSPS，输入信号范围为一10～+10V，R／C为读数／转换控制端，CS为片选端，电路连接如图2所示。

    数据存储器HM6264是64k的静态SRAM，8位I／0公共输入／出线，13位地址线，三态输出。地址有效条件是／CSl=0，CS2=ln／WE=0，／OE=1执行写操作；／WE=1，／OE=O执行读操作。电路连接如图3所示。

    输出电路中D／A转换芯片AD669也是AD公司推出的16位高速，高精度D／A转换器，具有高性价比，电路连接如图4所示。

3 FPGA程序设计
    此部分实现的主要的功能是将A／D转换后的数据经FPGA控制写入RAM及将数据从RAM读出经FPGA输出给D／A转换器，顶层原理图如图5所示。外围主要接口端功能为：A[15．．3]为数据输入端，CLK4M为时钟信号端，TONGIN为触发端口，CS、RC、WE、OE为片选、转换、读写控制端，RAMI、RAMO、AA为存储器I／O端、地址端，QQ为数据输出端。

    其中模块CHANA实现的功能是对数据的最高位取反，因为AD976最高位“l”表示负电平，而AD669最高位“1”表示高电平；模块INTRD在EN为“1”，信号上升沿过零点时，Q输出为“l”，直到完成对存储器的写操作为止；模块SIGND是整个程序的核心部分，主要功能是为存储器和lAD976提供控制信号，启动A／D转换，对存储器进行写操作和读操作；模块SAN在对存储器由写操作转变为读操作后，将存储器的数据输出变为高阻态，不妨碍存储器数据的正常读入；模块TONG端口A外接开关，按下时低电平，起同步作用。仿真结果如图6，(a)为写操作时的仿真波形；(b)为读操作时的仿真波形。当运行在写操作时，QQ无输出，如图6(a)所示，实现存储功能，读操作时，QQ输出，由于模块CHANA的存在，QQ输出的数据要对A输入的数据首位取反，即A输入是0101，QQ输出是1101，如图6(b)所示，仿真结果正确。

4 结语
    本文以PLC器件为控制核心，通过附加一定的外电路及普通示波器构成简易数字存储器，使普通示波器具有波形数字存储的功能。其中以FPGA为主部件的控制部分采用VHDL语言，按模块化方式进行设计，并将各模块集成于芯片中，最后通过MAXPLUS II软件对设计进行逻辑仿真，对FPGA芯片进行编程，实现系统的设计要求。随着科学技术的不断发展，这种以FPGA为基础的软件硬件化，其发展前景十分看好。