基于SOPC技術(shù)的虛擬示波器設(shè)計(jì)

引言

　　模擬示波器由于無法高效地觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果、數(shù)據(jù)處理功能弱等缺點(diǎn)，已逐漸被數(shù)字示波器所取代，但數(shù)字示波器價(jià)格昂貴。虛擬儀器是在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，用戶利用軟件根據(jù)自已的需求定義設(shè)計(jì)儀器的測(cè)量功能，其可以大大拓展傳統(tǒng)儀器的功能，降低儀器成本，并可通過軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的復(fù)雜分析、運(yùn)算和海量存儲(chǔ)等功能。LabWindows/CVI是1種常用的虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件，為用戶提供了功能強(qiáng)大的虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)。為此，本文以LabWindows/CVI為開發(fā)平臺(tái)，利用FPGA中嵌入的NiosⅡ軟核構(gòu)成的SOPC系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種雙通道虛擬示波器，以達(dá)到一般傳統(tǒng)示波器的性能指標(biāo)。

　　1 虛擬示波器硬件電路設(shè)計(jì)

　　1.1 虛擬示波器數(shù)據(jù)采集通道電路設(shè)計(jì)

　　為減少虛擬示波器對(duì)被測(cè)電路的影響，要求虛擬示波器數(shù)據(jù)采集通道的輸入阻抗在1MΩ以上，因此必須設(shè)計(jì)合適的衰減器和可控增益的放大器。虛擬示波器數(shù)據(jù)采集通道的原理方框圖如圖1所示。圖1中，虛擬示波器的2個(gè)通道完全對(duì)稱，且相互獨(dú)立。從探頭進(jìn)來的信號(hào)經(jīng)過衰減網(wǎng)絡(luò)，獲得合適的信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)行AD/DC切換開關(guān)后，送到可控增益放大器，將不同幅度的信號(hào)放大為幅度大致相同的信號(hào)，經(jīng)高速A/D轉(zhuǎn)換獲得兩路獨(dú)立的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)觸發(fā)電路完成觸發(fā)功能，使波形能夠平穩(wěn)地顯示。

　　1.1.1 衰減與AD/DC轉(zhuǎn)換電路

　　圖2為虛擬示波器的衰減與AD/DC轉(zhuǎn)換電路圖。

　　圖2中，R1、R2、R3、C1 和R4、C2組成1：10的分壓網(wǎng)絡(luò)，通過CPU控制三極管Q1、Q2 和繼電器K1、K2 分別控制進(jìn)行1/10的衰減與AD/DC切換控制。

　　1.1.2 可控增益放大器

　　虛擬示波器需設(shè)計(jì)寬范圍可調(diào)節(jié)的增益放大電路器，以實(shí)現(xiàn)10mV～±200V范圍內(nèi)的輸入電壓采樣。本系統(tǒng)采用模擬多路器切換運(yùn)放的反饋電阻，以達(dá)到改變?cè)鲆娴哪康?，其電路圖如圖3所示。

　　圖3中，U1內(nèi)部包含兩通道JFET高輸入阻抗的運(yùn)放，前級(jí)為跟隨器，以滿足示波器的高輸入阻抗要求，第2級(jí)為可控增益放大器，由模擬多路器和運(yùn)放共同構(gòu)成。

　　1.1.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

　　虛擬示波器的A/D 轉(zhuǎn)換器采用Linear 公司的LTC2289，它的采樣頻率可達(dá)80MHz，有2個(gè)獨(dú)立通道，可選內(nèi)部參考或外部參考。本文選用內(nèi)部參考。

　　1.2 虛擬示波器信息處理部分硬件設(shè)計(jì)

　　虛擬示波器信息處理部分主要包括FPGA 系統(tǒng)和USB通信部分，其組成方框圖如圖4所示。

　　圖4中，虛擬示波器模擬輸入通道的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后獲得數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過1個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器輸入到FPGA，F(xiàn)PGA通過邏輯電路和NiosⅡ管理將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、上傳等。SRAM用于緩存采樣數(shù)據(jù)；FLASH用于存儲(chǔ)NiosⅡ應(yīng)用程序，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上電時(shí)將程序加載至SDRAM中。

　　系統(tǒng)選擇的USB接口芯片CY7C68001為USB2.0標(biāo)準(zhǔn)控制器，其可工作在高速或全速狀態(tài)，支持4個(gè)可配置共享4KB　FIFO空間的端點(diǎn)，并具有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)8位或16位主機(jī)接口，非常適合做高速USB接口。