一款嵌入式數(shù)字存儲(chǔ)示波器設(shè)計(jì)方案

本文描述的數(shù)字存儲(chǔ)示波卡是一種基于DSP的雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器。該示波器采用的是TI公司的TMS320F2812芯片，它具有高速的數(shù)字信號(hào)處理能力和濾波功能以及實(shí)時(shí)、大容量波形存儲(chǔ)、快速的信號(hào)處理等特性。并且本數(shù)字存儲(chǔ)示波器具有便攜、操作簡(jiǎn)單、精確度高、采樣速率大等優(yōu)點(diǎn)。

1.前言

數(shù)字存儲(chǔ)示波器有別于一般的模擬示波器，它是將采集到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由內(nèi)部的微處理器進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)、顯示或打印等操作。這類示波器通常具有程控和遙控能力，通過(guò)GPIO接口還可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)等外部設(shè)備進(jìn)行分析處理。隨著大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，功能強(qiáng)大的DSP數(shù)字信號(hào)處理器的實(shí)時(shí)性越來(lái)越強(qiáng)。DSP憑借其強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，為數(shù)字示波器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)可靠而又實(shí)用的平臺(tái)，并且提高了數(shù)字存儲(chǔ)示波器的采樣速率、存儲(chǔ)深度、波形捕獲能力等指標(biāo)。

2.總體設(shè)計(jì)

數(shù)字示波器主要由前端穩(wěn)壓處理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、集成于FPGA芯片的NIOS系統(tǒng)及各種控制電路和SDRAM、各種鍵盤(pán)和LCD接口等組成。其中DSP芯片作為后端處理的核心使用的是TI公司的TMS320F2812.它是32位定點(diǎn)DSP芯片，內(nèi)含128K*64位的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器18K*16位的數(shù)據(jù)/程序存儲(chǔ)器以及4K*16位的Boot Rom，FPGA芯片作為前端采集控制處理器，使用的是ALTEra公司的EP2C5Q208，它是Cyclone系列的一款低成本FPGA芯片擁有多達(dá)119808bit的內(nèi)部RAM，4608個(gè)邏輯單元，支持Altera公司的NIOSII及SOPC，可滿足設(shè)計(jì)要求。


圖1 數(shù)字示波器硬件系統(tǒng)

如圖1所示，被測(cè)信號(hào)首先從通道1或通道2，由于兩個(gè)通道接收到的模擬信號(hào)的幅值處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必須經(jīng)過(guò)調(diào)理電路處理成A/D轉(zhuǎn)換電路可以接收的電壓范圍，否則會(huì)引起非常嚴(yán)重的后果。A/D轉(zhuǎn)換電路可以把調(diào)理后的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化、編碼等過(guò)程后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在S D R A M控制器的作用下送入F P G A芯片。在FPGA內(nèi)置的NIOS的總體控制下，利用內(nèi)部的FIFO進(jìn)行緩沖和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

在本設(shè)計(jì)中，DSP是整個(gè)示波卡數(shù)據(jù)處理和顯示的核心，進(jìn)行主要的數(shù)據(jù)處理，并且輸出處理結(jié)果和相應(yīng)的控制信號(hào)。FPGA在DSP發(fā)出的控制信號(hào)的作用下進(jìn)行工作。DSP是一種高速的數(shù)字信號(hào)處理器，經(jīng)過(guò)FPGA處理并保存于緩沖存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，在DSP控制信號(hào)作用下，將數(shù)據(jù)送入SDRAM中的原始緩沖區(qū)中。再經(jīng)過(guò)DSP各種差值和濾波等算法的處理后，送入示波卡的顯示緩沖區(qū)，用于在LCD屏上的波形顯示。

2.1前端調(diào)理電路和A/D采樣的設(shè)計(jì)

一般A / D芯片允許輸入的電壓幅度都是固定的（-0.5v~+0.5v），由各種信號(hào)的衰減和放大以及電壓偏置網(wǎng)絡(luò)組成的預(yù)處理電路，負(fù)責(zé)把前端接收到的不穩(wěn)定的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)方法和衰減之后，穩(wěn)定在允許輸入的電壓范圍內(nèi)。總體來(lái)說(shuō)，前端預(yù)處理電路由兩部分組成，一是由繼電器和RC共同組成的衰減網(wǎng)絡(luò)，既可以避免信號(hào)的失真又可以方便數(shù)字存儲(chǔ)示波卡的基準(zhǔn)調(diào)節(jié)；二是由兩片運(yùn)放AD8008組成的阻容匹配網(wǎng)絡(luò)和驅(qū)動(dòng)放大電路。AD8008是具有雙通道、高性能、電流反饋型放大器，其具有超低失真和噪聲特性，帶寬為650MHz，并且具有寬電源電壓范圍（5V~12V）。


圖2 采樣電路

數(shù)據(jù)采集的核心是A/D轉(zhuǎn)換功能。雖然DSP芯片本身具有A/D轉(zhuǎn)換的功能，但是為了提高其工作速度，本設(shè)計(jì)采用兩片AD9288完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作。在采樣時(shí)鐘的控制下，構(gòu)成180度相位差，滿足200MS/s采樣速率。

AD9288是一款雙核8位單芯片采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置片內(nèi)采樣保持電路，具有低成本、低功耗、小尺寸和易于使用等特性。AD9288采用100MSPS轉(zhuǎn)換速率工作，在整個(gè)工作范圍內(nèi)都具有出色的動(dòng)態(tài)性能。AD9288的輸出為二進(jìn)制碼，送入FPGA存儲(chǔ)模塊后，可直接存儲(chǔ)。每個(gè)通道均可以獨(dú)立工作，最高可達(dá)475MHz模擬帶寬，可以使雙通道并行工作。

2.2觸發(fā)電路

觸發(fā)電路是信號(hào)采集系統(tǒng)的重要功能電路，其基本功能是提供一個(gè)穩(wěn)定的觸發(fā)相位點(diǎn)，用作水平掃描時(shí)基的時(shí)間參考零點(diǎn)，使波形在顯示屏上穩(wěn)定顯示。本采集電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)周期和被測(cè)信號(hào)相關(guān)的觸發(fā)脈沖信號(hào)，控制ADC數(shù)據(jù)采集。

觸發(fā)電路的核心部件是高速電平比較器，本采集電路中選用的是AD96685芯片和LT1713芯片。觸發(fā)電路如圖3所示。TrigLevel信號(hào)是迭加了源信號(hào)低頻分量的比較電平，Ref是參考電位，Trig Source信號(hào)是被觸發(fā)的源信號(hào)。通過(guò)改變Trig Level信號(hào)的電平值，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)電平的調(diào)節(jié)。通過(guò)LT1713比較整形后輸出一對(duì)ECL差分時(shí)鐘TrigP和TrigNP，再經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后送入FPGA內(nèi)觸發(fā)器。


圖3 觸發(fā)電路

2.3供電電路的設(shè)計(jì)

數(shù)字存儲(chǔ)示波卡的電源主要分三部分，一部分給高速A/D轉(zhuǎn)換器供電，第二部分給FPGA供電，第三部分是給DSP芯片供電?？紤]到成本和實(shí)用性等因素，使用比較常見(jiàn)的可調(diào)電源LM1117為A/D轉(zhuǎn)換器和FPGA供電。

A/D轉(zhuǎn)換器需要的額定供電電壓是+3.3V，單片A/D轉(zhuǎn)換器在正常工作的情況下的功率是689mV，故耗費(fèi)的電流在210mA左右，LM1117的額定供電電流800mA，使用兩片可較好滿足要求。FPGA供電分為內(nèi)核供電和IO端口供電。內(nèi)核供電電壓為1.2V，由LM1117供電；IO端口可以進(jìn)行包括1.5V、1.8V、2.5V、3.0V和3.3V等多種配置，其電源也同樣由LM1117來(lái)提供。示波卡的運(yùn)算放大器和場(chǎng)效應(yīng)管等器件所需的負(fù)電壓則由LM2991來(lái)提供。LM2991是輸出可調(diào)低壓差穩(wěn)壓器，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為-2V至-25V（輸出電流為1A）。

DSP需要工作在更穩(wěn)定的電壓下，在示波卡的設(shè)計(jì)中用到了由TI公司生產(chǎn)的雙電壓輸出芯片TPS70151.該芯片可以同時(shí)提供兩路不同的電壓，并且可以通過(guò)人為控制去改變上電順序。如圖4所示，兩路輸入VIN1和VIN2都被接到VDD5，VOUT1和VOUT2輸出3.3V和1.8V.SEQ可以用來(lái)控制上電順序，接地說(shuō)明被置為低電平，那么VOUT1先輸出3.3V，直到VOUT1輸出電壓達(dá)到2.7V左右時(shí)，VOUT2才開(kāi)始有輸出電壓。MR1和MR2被用來(lái)人為的設(shè)置輸入電壓1和輸入電壓2，可用于控制RESET的輸出電平，當(dāng)兩個(gè)引腳的任何一個(gè)輸入電平為低時(shí)，那么RESET輸出低電平。其他的控制端與DSP芯片連接，那么我們可以通過(guò)在DSP中編寫(xiě)C語(yǔ)言程序的方式達(dá)到對(duì)電源電壓的控制。


圖4 DSP數(shù)字電源電路原理圖

2.4LCD顯示的設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，采用的LCD是FY43-4827-65K，具有480*272的高分辨率的彩色TFT顯示屏。采用16位標(biāo)準(zhǔn)8080總線接口方式、色彩支持65536色使圖像。超高的24MHz無(wú)等待總線讀寫(xiě)速度，單點(diǎn)讀寫(xiě)周期高達(dá)42ns，無(wú)需任何等待，可以和任何高速系統(tǒng)接口。獨(dú)有顯存更新窗口設(shè)定功能，用戶可任意指定讀寫(xiě)區(qū)域。

對(duì)緩沖區(qū)的較高要求，示波卡需要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存進(jìn)行擴(kuò)展，所以加入SDRAM作為顯示緩沖區(qū)，用于存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)、中間結(jié)果。

LCD以ILI9320為控制器，ILI9230具有統(tǒng)一的時(shí)序邏輯（如圖5所示）和非常豐富的指令編碼，支持MSP430、51、DSP、FPGA等系列CPU.根據(jù)LCD控制器中不同的指令編碼和DSP中的數(shù)據(jù)端口定義，還可以自行設(shè)計(jì)對(duì)LCD的控制指令和編程方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD屏上顯示位置、顯示內(nèi)容以及色彩的組合控制。

如圖6所示，DSP通過(guò)數(shù)據(jù)總線與SDRAM的數(shù)據(jù)交換，把處理后的數(shù)據(jù)送入顯示緩沖區(qū)中。同時(shí)DSP也可以通過(guò)控制總線向ILI9230發(fā)送指令，使其從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)，并送入LCD顯示，這樣就完成了一個(gè)顯示的過(guò)程。


圖5 LCD控制器總線時(shí)序圖


圖6 LCD顯示模塊硬件框圖