基于FPGA的简易数字存储示波器设计
时间：2009-12-16 17:11:07
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
器转换成数字信号，然后存储在RAM
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
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
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
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，三态输出。地址有效条件是／CSl=0，CS2=ln／WE=0，／OE=1执行写操作；
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
RAM读出经FPGA输出给D／A转换器，
A[15．．3]为数据输入端，CLK4M为时钟信号端，
OE为片选、转换、读写控制端，RAMI
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
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，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；
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，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
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
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
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
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。
示波器原理及其应用 示波器介绍 示波器的作用 示波器属于通用的仪器，任一个硬件工程师都应该了解示波器的工作原理并能够熟练使用示波器，掌握示波器是对每个硬件工程师的基本要求。 示波器是用来显示波形的仪器，显示的是信号电压随时间的变化。因此，示波器可以用来测量信号的频率，周期，信号的上升沿/下降沿，信号的过冲，信号的噪声，信号间的时序关系等等。 在示波器显示屏上，横坐标（X）代表时间，纵坐标（Y）代表电压，（注，如果示波器有测量电流的功能，纵坐标还代表电流。）还有就是比较少被关注的-亮度（Z），在TEK的DPO示波器中，亮度还表示了出现概率（它用16阶灰度来表示出现概率）。 1．1．示波器的分类 示波器一般分为模拟示波器和数字示波器；在很多情况下，模拟示波器和数字示波器都可以用来测试，不过我们一般使用模拟示波器测试那些要求实时显示并且变化很快的信号，或者很复杂的信号。而使用数字示波器来显示周期性相对来说比较强的信号，另外由于是数字信号，数字示波器内置的CPU或者专门的数字信号处理器可以处理分析信号，并可以保存波形等，对分析处理有很大的方便。
1.2.1 模拟示波器 模拟示波器使用电子枪扫描示波器的屏幕，偏转电压使电子束从上到下均匀扫描，将波形显示到屏幕上，它的优点在于实时显示图像。 模拟示波器的原理框图如下： 见上图所示，被测试信号经过垂直系统处理（比如衰减或放大，即我们拧垂直按钮－volts/div），然后送到垂直偏转控制中去。而触发系统会根据触发设置情况，控制产生水平扫描电压（锯齿波），送到水平偏转控制中。 信号到达触发系统，开始或者触发“水平扫描”，水平扫描是一个是锯齿波，使亮点在水平方向扫描。触发水平系统产生一个水平时基，使亮点在一个精确的时间内从屏幕的左边扫描到右边。在快速扫描过程中，将会使亮点的运动看起来
数字示波器基础知识 耦合 耦合控制机构决定输入信号从示波器前面板上的BNC输入端通到该通道垂直偏转系统其它部分的方式。耦合控制可以有两种设置方式，即DC耦合和AC耦合。 DC耦合方式为信号提供直接的连接通路。因此信号提供直接的连接通路。因此信号的所有分量（AC 和：DC）都会影响示波器的波形显示。 AC耦合方式则在BDC端和衰减器之间串联一个电容。这样，信号的DC分量就被阻断，而信号的低频AC分量也将受阻或大为衰减。示波器的低频截止频率就是示波器显示的信号幅度仅为其直实幅度为71％时的信号频率。示波器的低频截止频率主要决定于其输入耦合电容的数值。 和耦合控制机构有关的另一个功能是输入接地功能。这时，输入信号和衰减器断开并将衰减器输入端连至示波器的地电平。当选择接地时，在屏幕上将会看到一条位于0V电平的直线。这时可以使用位置控制机构来调节这个参考电平或扫描基线的位置。 输入阻抗 多数示波器的输入阻抗为1MΩ和大约25pF相关联。这足以满足多数应用场合的要求，因为它对多数电路的负载效应极小。 有些信号来自50Ω输出阻抗的源。为了准确的测量这些信号并避免发生失真，必须对这些信号进行正确的传送和端接。这时应当使用50Ω特性阻抗的电缆并用50Ω的负载进行端接。某些示波器，如PM3094和PM3394A，内部装有一个50Ω的负载，提供一种用户可选择的功能。为避免误操作，选择此功能时需经再次确认。由于同样的理由，50Ω输入阻抗功能不能和某些探头配合使用。 相加和反向 简单的把两个信号相加起来似乎没有什么实际意义。然百，把两个有关信号之一反向，再将二者相加，实际上就实现了两个信号的相减。这对于消除共模干扰（即交流声），或者进行差分测量都是非常有用的。 从一个系统的输出信号中减去输入信号，再进行适当的比例变换，就可以测出被测系统引起的失真。 由于很多电子系统本身就具有反向的特性，这样只要把示波器的两个输入信号相加就能实现我们所期望的信号相减。 带宽
摘要 数字存储示波器是随着数字电路的发展而发展起来的一种具有存储功能的新型示波器。原先人们看好的模拟示波器的一些优点，目前数字示波器已完全能够做到，特别是在捕获非重复信号、避免信号的虚化和闪烁、在时间上从触发事件反问寻迹——实现在电路中隔离故障等方面，数字示波器显示出了模拟示波器无可比拟的优势。因此，数字示波器由于其优势的性能、良好的性能价格化，刚一问世,就显示出它强大的生命力,各行各业均迫切需要,有其广阔的发展前途.。 本简易数字存储示波器,以单片机和可编程逻辑器件(CPLD)为控制核心,由通道调理、触发、波形显示等功能模块组成。本系统对触发系统、水平扫描速度和垂直灵敏度的自动设置功能（AUTOSET）及波形参数测量等功能进行了重点设计。使仪器最后具有单次触发存储显示方式及锁存功能，又可以对某段瞬时波形进行即时存储和连续回放显示。设计中采用了模块化设计方法，并使用了多种EDA工具，提高了设计效率。整个设计实现了存储示波器的所有功能要求，达到较高的性能指标。 关键词：可编程逻辑器件，存储器，转换器，数字存储示波器，单片机
ABSTRACT It is that one developed with development of the digital circuit is new-type oscillograph which stores the function that the figure stores the oscillograph . Original ancestors see some advantages of the good simulation oscillograph , the digital oscillograph can already be accomplished at present, catching and is not repeating the signal, avoiding melting and glimmers specially emptily, reply the mark of seeking from the incident of touching off on time of the signal --Realizing it in isolating the trouble in the circuit etc., the digital oscillograph demonstrates the incomparable advantage of the simulation oscillograph . So digital oscillograph because performance , good performance price of advantage their, just coming out , demonstrated its strong vitality, all trades and professions needed urgently , there is its wide development prospect. . T his simple and easy figure stores the oscillograph, regard one-chip computer and programmable logic device (CPLD ) as the core of controlling, nursed one's health, touched off by the pass-way, the wave form shows, etc. the function module makes up . Such functions as automatic establishment function (AUTOSET ) and wave form parameter that this system scanned the speed and vertical sensitivity in touching off system , level are measured have been designed especially. Make the instrument have single time to touch off and store the display mode and latch the function finally, can store and show with the continuous playback immediately a section of instantaneous wave forms . Have adopt the module design method in the design, has used many kinds of EDA tools, have improved design efficiency. The whole of functions of designing and realizing storing the oscillograph require , reach the higher performance index Keyword: Programmable logic device, the memory , the converter, the figure stores the oscillograph , Micro Computer Unite
基于FPGA的简易数字示波器工作原理及方框图 摘要：本文介绍了一种基于FPGA的采样速度60Mbit/s的双通道简易数字示波器设计，能够实现量程和采样频率的自动调整、数据缓存、显示以及与计算机之间的数据传输。 关键词：数据采集；数字示波器；FPGA 引言 传统的示波器虽然功能齐全，但是体积大、重量重、成本高、等一系列问题使应用受到了限制。有鉴于此，便携式数字存储采集器就应运而生，它采用了LCD显示、高速A/D采集与转换、ASIC芯片等新技术，具有很强的实用性和巨大的市场潜力，也代表了当代电子测量仪器的一种发展趋势，即向功能多、体积小、重量轻、使用方便的掌上型仪器发展。 系统组成结构及工作原理 系统的硬件部分为一块高速的数据采集电路板.html' &111nmouseover="javascript:showpos(event,this)" &111nmouseout="javascript:ClearTimer()" target="_blank" style="color:#00A2CA">电路板。它能够实现双通道数据输入，每路采样频率可达到60Mbit/s。从功能上可以将硬件系统分为：信号前端放大及调理模块、高速模数转换模块、FPGA逻辑控制模块、单片机控制模块、USB数据传输模块、液晶显示和键盘控制等几部分，其结构形式如图1所示。 图1 系统原理结构图 输入信号经前置放大及增益可调电路转换后，成为符合A/D转换器要求的输入电压，经A/D转换后的数字信号，由FPGA内的FIFO缓存，再经USB接口传输到计算机中，供后续数据处理，或直接由单片机控制将采集到的信号显示在液晶屏幕上。 高速数据采集模块 本系统可实现双通道同步数据采集，而且每通道的采集速度要达到60Mbit/s，考虑到两路数据采集应保持同步并行，因此在设计中采用每通道都有独自的采样保持器和A/D转换器。选用MAXIM公司MAX1197型A/D转换器，它是一款双通道、3.3V供电、每通道60Mbit/s采样频率的模数转换器芯片。它内部集成双路差分宽带采样保持器和A/D转换器，可以输出锁存，具有低功耗、小尺寸、高动态性能的特点。 本系统的测量电压的范围可达到±300V，采用示波器探头和电路板上分压的方法将输入信号先进行1:1或10:1或100:1衰减，然后再通过后续电路处理以满足A/D转换器的输入电压范围要求。
数字示波器中的波形存储、录制与回放 摘要：波形存储、录制与田放是数字示波器的重要功能。在此采用闪速存储器(FLASH Memory)存储重要的波形数据，方便用户事后调出观察、分析和对比。每段波形存储的长度固定，根据存储波形的序号、大小、起始地址等建立波形存储索引表，通过查询波形索引表可选择要回放的波形。还可以通过波影录制功能把信号波影录制到静态数据存储器(SDRAM)中，然后回放波形，寻找并观察自己需要的波形。通过直接存储(DMA)方式实现将显示缓冲区存储的波形搬移到波形录制的缓存中去，实现了数据的高速存储。在手持式示波表的研制过程中实现了此波录制和回放方法达到了预期的效果。 关键词：数字示波器；波形存储；波形录制；波形回放 0 引言 自然界的信号大多都是瞬时变化的一过性信号，采用示波器的触发功能可以捕获符合触发条件的信号，一些重要的信号需要存储并做进一步的观察和分析。早期的模拟示波器无法完成对波形的存储和回放，而现在的数字存储示波器都具有波形存储和回放功能。波形存储是将波形数据存储在闪速存储器(FLASHMemory)中，可以长时间保存数据，掉电之后数据不会丢失，方便用户存储一些重要的波形以便后期观察或对比。在观察一些瞬态信号时，用户来不及捕捉这样的信号，可以通过波形录制功能将信号存储在静态数据存储器(SDRAM)中，然后可回放信号波形，再仔细观察信号的特征。波形录制是一种连续存储波形的功能，即存储从开始录制波形的时刻起到结束时刻的每幅波形。利用波形录制与回放功能可以检测那些不易确定触发条件的瞬态信号。 根据波形存储的长度是否可变将波形存储分为固定波形数据长度存储方法和可变波形 数据长度存储方法。固定波形数据长度存储方法比较简单，而且回放方便。示波器在使用过程中，正常触发模式和扫描模式所要存储的波形点数是不一样的。需要用可变存储长度方式存储波形数据。 本文只考虑存储示波器2个通道的各一组数据，给每个通道的正常触发模式和扫描模式各分出一个存储区。正常触发模式的数据长度与扫描模式的数据长度不同。根据存储波形的关键信息建立波形存储索引表，通过查询波形索引表选择要回放的波形。波形存储索引表存储在铁电存储器(FM24CL04)中，对铁电存储器可以进行快速读写，掉电之后数据可以保存10年。所述波形存储、录制和回放方法已经用于所研制的手持式示波表中，可方便地对所观察的信号进行记录和分析。达到了预期的效果。 1 方案设计 固定大小存储方法是一种简单的波形存储方法，可以完成波形和设置的基本存储要求，虽然正常触发和扫描模式下的波形点数不一样，但是每种模式下的波形点数是固定的，可以把2种模式下的波形分开存储。根据存储波形的序号、大小、起始地址等在铁电存储器(FM24CL04)中建立波形存储索引表，通过查询波形索引表可选择要回放的波形。由波形存储在铁电存储器中的逻辑位置计算出实际存储地址。比如存储10幅波形，FLASH就分出10个区(A，B，…，J)，每个区的起始地址是一定的。而铁电存储器也分出10个位置(100，101，…，109)分别对应于FLASH的10个区，假设位置101存储B区的逻辑位置N，每一组波形的大小是固定的，设为M个字节，则当前的波形(起始位置设为ADDR_STAR)位置就是ADDR_STAR+M*(N-1)。
数字示波器及其简单原理图 数字示波器可以分为数字存储示波器（DSOs）、数字荧光示波器（DPOs）、混合信号示波器（MSOs）和采样示波器。 数字式存储示波器与传统的模拟示波器相比，其利用数字电路和微处理器来增强对信号的处理能力、显示能力以及模拟示波器没有的存储能力。数字示波器的基本工作原理如上图所示当信号通过垂直输入衰减和放大器后，到达模-数转换器（ADC）。ADC 将模拟输入信号的电平转换成数字量，并将其放到存贮器中。存储该值得速度由触发电路和石英晶振时基信号来决定。数字处理器可以在固定的时间间隔内进行离散信号的幅值采样。接下来，数字示波器的微处理器将存储的信号读出并同时对其进行数字信号处理，并将处理过的信号送到数-模转换器（DAC），然后DAC的输出信号去驱动垂直偏转放大器。DAC也需要一个数字信号存储的时钟，并用此驱动水平偏转放大器。与模拟示波器类似的，在垂直放大器和水平放大器两个信号的共同驱动下，完成待测波形的测量结果显示。数字存储示波器显示的是上一次触发后采集的存储在示波器内存中的波形，这种示波器不能实时显示波形信息。其他几种数字示波器的特点，请参考相关书籍。
Agilent DSO-X 2002A 型数字示波器面板介绍
该示波器有两个输入通道CH1和CH2，可同时观测两路输入波形。选择通道1时，示波器仅显示通道1的信号。选择通道2时，示波器仅显示通道2的信号。选择双通道时，示波器同时显示通道1信号和通道2信号。 荧光屏（液晶屏幕）是显示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多条刻度线，指示出信号波形的电压和时间之间的关系。 操作面板上的各个按钮按下后，相应参数设置会显示在荧光屏上。 开机后，荧光屏显示如下： 测试信号时，首先要将示波器的地（示波器探笔的黑夹子）与被测电路的地连接在一起。根据输入通道的选择，将示波器探头接触被测点（信号端）。按下Auto Scale，示波器会自动将扫描到的信号显示在荧光屏上。 输入耦合方式：模拟示波器输入耦合方式有三种选择：交流(AC)、地(GND)、直流(DC)；部分数字示波器则没有ＧＮＤ耦合这种方式，其通过在屏幕上直接标注零电平线的位置的方法来实现ＧＮＤ耦合（用来确定零电平线）的功能。当选择“地”时，扫描线显示出“示波器地”在荧光屏上的位置。直流耦合用于测定信号直流绝对值和观
数字存储示波器
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简易数字存储示波器 作者: 陈勇张勋储成火 摘要 本简易数字存储示波器以C8051F为控制和数据处理为核心,由信号调理模块.A/D转换模块.数据存储模块.D/A模块.方波整形模块.触发模块.程控增益控制模块和人机接口模块组成.采用示波器输出一个DC-50KHZ的正弦波信号,经程控增益转换后,进行电平移位,把双极性信号变为单极性信号,进行A/D采样,存储后,再D/A后回放.水平扫描控制通过控制器产生一个水平扫描信号,进行行扫描.用示波器可以观察到通过按键控制可以进行水平扫描,还有一部分数据可以通过液晶显示.为了提高测量精度,把各部分电路的误差合理分配,使电路达到最佳的测量的效果. 一,总体设计和单元电路的实现 1.1总体方框图 本系统由8051F单片机,增益控制模块,电平移位模块,过零比较模块,高速A/D 和高速D/A模块组成;以下是单通道信号发数字示波器的方框图; 1.2电源模块设计 电源的稳定如否直接关系着系统是否稳定,因此设计出高稳定性的电源是必不可少的,同时由于不同的集成电路工作的电压不一样,为了让它们都工作在最佳状态,必须给它们提供适当的电源电压.一般最常用的是-5V+5V和-12V-+12V,因此我们设计出了相应的电源,给它提供了各种滤波措施,都是为了让它输出的电源稳定.
1.3程控增益模块 由于本设计要求垂直的灵敏度设置为0.01V/div,0.1V/div,1V/div,以0.01V/div说明,此时示波器满刻度显示时,是0.01x8=0.08V,也就是当我们输入的信号是0.08V 时,刚好满度显示,但是A/D采样的电压在2V,那么它的增益A=2/0.08=25.,同理0.1V/div时,A=2/0.8=2.5;1V/div时,A=2/8=0.25,由此我们可以设计出程控增益放大器; 当Vin<0.08时,A=25; 当Vin<0.8时,A=2.5; 当Vin<8时,A=0.25; 由上可知,要设计此程控增益放大器,对放大器的要求比较高,特别是线性度越高越好,在这里我们选择LF356;
简易数字存储示波器 06204526 程杰
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一、任务分析 制作一个简易数字存储示波器，其结构框图如下图所示 二、方案论证与比较 1．波形采集模块 波形采集模块采用AD 转换芯片将模拟波形信号转换为数字信号发送给单片机，有如下几种方案： 方案1 采用片外并行AD 芯片，如ADC0809。 优点：使用广泛，参考资料很多。 缺点：并行接口占用单片机口线较多，接线复杂。 方案2 采用单片机内置AD 转换功能，如A VR 、C8051等单片机内置的ADC 优点：集成在单片机内部，不需要额外连线，方便易行。 缺点：片内集成的ADC 速度较低，无法采集频率高的信号，没有独立多路AD ， 多通道AD 会降低采样速度。 方案3 采用片外串行高速ADC 芯片如maxim 公司的高速ADC 串行芯片，外加 FPGA 控制采样。 优点：速度块，占用单片机口线少，可以很容易实现MHz 级别的波形采样 缺点：价格昂贵，资料较少。
综合考虑价格和易行性，本系统采用方案2，采用A VR mega64芯片中的内置ADC。2．微处理控制模块 微处理控制模块采用单片机来完整，经济可行： 方案1 采用经典80C51系列单片机 优点：使用广泛，资料丰富 缺点：功能较少，性能较弱 方案2 采用atmel公司的高档8位单片机A VRmega64 优点：高性能，价格相对较低，内置ADC 缺点：上市时间较短，资料少 方案3 采用atmel公司的高档8位单片机A VRmega64控制显示部分，外加一片FPGA控制采样 优点：FPGA采样速度快，单片机控制显示方便，取长补短 缺点：系统较为复杂 由于本人对A VR单片机使用较为熟悉，所以本系统采用方案2，即A VRmega64来完成，其基本性能指标如下： ·先进RISC结构，性能达到1MHz有1MIPS ·64KB Flash程序存储空间 ·4KB SRAM 、4KB EEPROM ·内置I2C、SPI、PWM、ADC等功能 ·支持在线编程ISP功能 3.存储模块 存储模块采用SRAM来存储波形采集模块所采集到的波形，有如下三种方案： 方案1 采用外置一片62256和74HC573作为锁存器，扩展单片机的存储空间优点：外扩空间容量很大 缺点：接线复杂，出现错误不容易排查 方案2 采用A VR 单片机内置4KB RAM,划分出约2KB空姐供存储波形数据，也可以存储数十页的数据。 优点：无须接线，体现了高档单片机RAM大的优势 缺点：空间较少，需要大量存储时仍然不够 方案3 利用FPGA内部的SRAM
匡圜銎兰妻茎量鳖鲨兰釜塑生文章编号：１６７１—４５９８【２０１０）０３一０５７５一０２中图分类号：ＴＰ２７４；ＴＭ９３５文献标识码：Ａ 基于ＦＰＧＡ和ＡＲＭ的数字 存储示波器控制系统的设计 李仪，潘佑华 （东莞理工学院，广东东莞５２３８０８） 摘要：本数字示渡器以ＦＰＧＡ和ＡＲＭ９（ｓ３ｃ２４１０）为核心芯片。由输入信号调制、触发控镧、数据采集、数据处理、波形显示和操作面板等功能模块组成；既具有一般示波器实时采样的功能，还具有等效采样和预触发的功能；在显示上以ＬＣＤ触摸屏的方式，通过ＡＲＭ９与ＦＰＧＡ的通讯能在ＬｃＤ８００×４８０上显示被测信号的频率和扫描速度等；设计中采用模块化设计方法，并使用了多种ＥＤＡ工具，提高了设计的效率。 关键词：数字示波器；实时采样Ｉ等效采样；Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换ｆ触发控制 ＤｅｓｉｇｎｏｆＤｉｇｉｔａｌＯｓｃｉｌｌｏｇｒａｐｈＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＦＰＧＡａｎｄ ＡＲＭ ＬｉＹｉ。ＰａｎＹｏｕｈｕａ （ＤｏｎｇＧｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＤｏｎｇＧｕａｎ５２３８０８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｔｒ扯ｔ：ＴｈｉｓｄｉｇｉｔａｌｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｐｈｕｓｅｄＦＰＧＡ曲ｄＡＲＭ９（Ｓ３Ｃｚ４１０）ａｓｉｔｓｃｏｒｅｃｈｉｐ．ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃｈａｎｎｅｌｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｒｉｇｇｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｄａｔａｓａｍｐｌｉｎｇ，ｄａｔａｐｍｃｅｓｓｉｎｇ，ｗａｖｅｆｏｒｍｄｉｓｐｌａｙａｎｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｐａｎｅｌ．Ｉｔｎｏｔｏｎｌｙｈｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｒｅａｌ—ｔｉｍｅｓａｍｐＩｉｎｇ，ｂｕｔａｌｓｏｈａｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｒｅａｌｔｉｍｅｓａｍｐｌｉｎｇａｎｄｐｒｅ—ｔｒｉｇｇｅｒｃｏｎｔｒｏＩ．ＩｔｕｓｅＬＣＤａｎｄｔｏｕｃｈｓｃｒｅｅｎｔｏｄｉ印Ｉａｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｂｅ—ｔｗｅｅｎＦＰＧＡａｎｄＡＲＭ９，ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｒａｔｅｃａｎｂｅｄｉｓｐｌａｙｅｄｏｎＬｃＤ８００×４８０．Ｔｈｅ８ｙｓｔｅｍａｐｐｌｉｅｄｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｕｓｅｄｍａｎｉｆｏｌｄｔｏｏｌｓｏｆＥＤＡ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｏｒｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒ出：ｄｉｇｉｔａｌｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｐｈ；ｒ钮ｌ—ｔｉｍｅｓａｍｐＩｉｎｇ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｔｉｍｅｓａｍｐｌｉｎｇ；Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｔｒｉｇｇｅｒｃｏｎｔｒｏｌ ０引言 随着大规模集成电路技术、信号分析与处理技术及嵌人式微处理器软硬件技术的迅速发展，现代电子测量技术与仪器领域也在不断探讨新的仪器结构和新的测试理论及方法。数字存储示波器作为电子测量系统中应用最为普遍的电子测量仪器之一，是工业控制和教学科研常用的基础仪器，是电子技术教学和电子产品生产中不可缺少的设备，也是教学研究或生产中的主要投资内容。 数字存储示波器集Ａ／Ｄ技术与ＡＳＩＣ技术、ＦＰＧＡ技术、ＡＲＭ技术，ＬＣＤ显示技术于一体，具有极高的技术含量、很强的实用性和巨大的市场潜力。数字示波器的主要技术指标有带宽、采样速率、存储深度和波形更新速率。为了保证测试信号幅度和上升沿的精度，选择示波器的带宽应为被测信号频率的３～５倍，精确测量要８～１０倍或以上；对于采样速率和存储深度，一般制造商给出的采样速率都是最大值，即在最快扫描时问下所达到的采样速率，但是在实际的测量中，采样速率是一个变化的指标，随着扫描时间的变慢，采样速率也相应降低，所以它的实际值取决于时基和存储深度［１］。本设计通过对数字存储示波器的研究与设计，进一步提高仪器的整体性能。 收藕日期：２００９—１０一１９Ｉ修回日期：２００９—１１—２７． 基金项目：国家自然科学重大基金项目（１０８９００９５）Ｉ广东省工业攻关计划（２００５８１０１０１０４２）。 作者简介：李仪（１９６５一）．男，广东湛江人。高级工程师，电子学院实验中心主任，主要从事电路与显示技术方向的研究。１系统设计 本系统设计框图如图１所示。整个系统以可编程逻辑器件（ＦＰＧＡ）和ＡＲＭ９（Ｓ３Ｃ２４１０）为核心，包括前端信号处理电路，Ａ／Ｄ与Ｄ／Ａ转换电路、触发电路、数据采集处理电路、波形显示控制电路和人机交换电路等组成。本设计通过ＦＰＧＡ作为高速控制核心实现对外围输入模拟信号的采样，对ＡＤ等芯片的控制。对采样的信号进行处理，对波形参数的计算等ｃ“。用ＡＲＭ９作为主控制器，控制ＦＰＧＡ工作，通过编程设置实现测频、显示驱动、波形存储控制等功能和点阵液晶模块实现人机交互［３］。 －堆衬悭蚪覃 Ｌ叫网叫翮 笸捌 ● 蜜罾输帏 唾擒 ◆ １人机交ｌ ｌ垫墨匦Ｉ 图１示波器原理框图 ２前端信号处理电路 因为外部输入信号的幅度不一，但后级Ａ／Ｄ转换电路对输入的信号的幅度有一定的要求，若输入信号的幅度不在Ａ／Ｄ转换芯片的正常工作幅度范围内，则Ａ／Ｄ芯片就不能正常的工作，那么整个系统也就不能正常运转。所以前端电路就要实现对外部输入信号幅度控制，若输入信号的幅度高于Ａ／Ｄ芯片正常工作的范围，则先对这信号进行适量的衰减；若输人 中华测控网 ｃｈｉｎ锄ｃａ．ｃｏｍ 万方数据
数字存储示波器的使用
实验二数字存储示波器的使用 加灰色底纹部分是预习报告必写部分 示波器是一种常用的电子仪器，主要用于观察和测量各种电信号。配合各种传感器把非电量转换成电量，示波器也可以用来观察各种非电量的变化过程。示波器有多种类型和型号，但它们基本原理是相同的。本实验是用双信号发生器的输出信号在示波器中合成李萨如图形。 ［实验目的］ 1．了解示波器的主要结构和显示波形的基本原理。 2．学会使用函数信号发生器。 3．学会用示波器观察波形以及测量电压、周期和频率等。 4、理解李萨如图形合成原理及方法。 ［实验仪器］ DS1052E型数字存储示波器、DG1022双通道函数/任意波形发生器、连接线（2根） 【示波管的简单介绍】
示波管如图1所示 示波管包括有： （1）一个电子枪，它发射电子，把电子加速到一定速度，并聚焦成电子束； （2）一个由两对金属板组成的偏转系统；（3）一个在管子末端的荧光屏，用来显示电子束的轰击点。 所有部件全都密封在一个抽成真空的玻璃外壳里，目的是为了避免电子与气体分子碰撞而引起电子束散射。接通电源后，灯丝发热，阴极发射电子。栅极加上相对于阴极的负电压，它有两个作用：①一方面调节栅极电压的大小控制阴极发射电子的强度，所以栅极也叫控制极；②另一方面栅极电压和第一阳极电压构成一定的空间电位分布，使得由阴极发射的电子束在栅极附近形成一个交叉点。第一阳极和第二阳极的作用一方面构成聚焦电场，使得经过第一交叉点又发散了的电子在聚焦场作用下又会聚起来；另一方面使电子加速，电子以高速打在荧光屏上，屏上
③数字滤波的频率上线 MATH 为系统的数学运算界面 REF 为导入导出已保存的文件菜单或保存文件，但不存储X-Y方式的波形 设置水平系统HORIZONTAL（MENU、POSITION(水平位置) SCALE(水平范围) MENU ①延迟扫描：用来放大一段波形，以便查看图形细节②时基：Y-T、X-Y（水平轴上显示通道1电压，垂直轴上显示通道2电压）、Roll③采样率：显示系统采样率 设置触发系统TRIGGER（LEVEL、MENU、50%、FORCE） MENU中的触发模式有边沿触发、脉宽触发、斜率触发、视频触发、交替触发（稳定触发双通道不同步信号，此触发模式下，不能产生X-Y波形，且交替触发菜单中触发类型为视频触发时它的同步分为：所有行、指定行、奇数场、偶数场）。触发方式：自动、普通、单次，如在自动下无法稳定两波形，可选择单次稳定波形。触发设置：灵敏度、触发抑制：设置重新启动触发电路的时间间隔，时间范围为：500ns-1.5s、
数字示波器的原理及使用 【摘要】示波器就是以直角坐标为参数系,以时间扫描为时基两维地显示物理量——电量瞬时变化的仪器,它不但能观测低频信号(包括单次信号),同时也能观测高频信号与快速脉冲信号 ,并能对其表征的参量进行分析与测量。随着数字集成电路技术的发展而出现的数字存储示波器,不但能对波形进行显示,还能对波形进行存储、分析、计算,并能组成自动测试系统,使之成为了电子测量领域的基础测试仪器之一。 关键词:示波器,信号,数字集成电路,数字存储 【Abstract】Oscilloscope is an instrument that can display electrical signals in rectangular coordinates system based on amplitude and time、It can not only observe the low-frequency signal (including single signal), but also the high-frequency signal and pulse signal, and parameters on the characterization of the analysis and measurement、The digital storage oscilloscope was invented with the development of digital integrated circuit technology, which can not only display the waveform but also can store, analysis, calculate the Parameters of the signal and can form an automatic testing system、The digital storage oscilloscope have become one of the basic testing instrument for electronic measurement 、 Keywords: oscilloscope,signal,digital integrated circuit, digital storage oscilloscope 1、前言 随着数字集成电路技术的发展,数字式示波器的出现以其存储波形及多种信号分析、计算、处理等优良的性能逐步取代模拟示波器。与模拟示波器相比,数字示波器可以实现高带宽及方便地实现对模拟信号波形进行长期存储并能利用机内微处理器系统对存储的信号做进一步的处理,例如对被测波形的频率、幅值、前后沿时间、平均值等参数的自动测量以及多种复杂的处理。 2、数字示波器的基本原理 2、1数字存储示波器的组成原理 典型的数字示波器原理框图如图2、1所示,它分为实时与存储两种工作状态,当其以实时状态工作时,其电路组成原理与模拟示波器相同。当其以存储状态工作时,它的工作过程一般分为存储与显示两个阶段,在存储工作阶段,模拟输入信号先经过适当的放大或衰减,然后经过采样与量化两个过程的数字化处理,将模拟信号转化成数字信号后,在逻辑控制电路的控制下将数字信号写入到存储器中。量化过程就就是将采样获得的离散值通过 A/D转换器转换成二进制数字。采样,量化及写入过程都就是在同一时钟频率下进行的。在显示工作阶段,将数字信号从存储器中读出来,并经D/A转换器转换成模拟信号,经垂直放大器放大加到CRT 的Y偏转板。与此同时,CPU的读地址计数脉冲加之D/A转换器,得到一个阶梯波的扫描电压,加到水平放大器放大,驱动CRT的X偏转板,从而实现在CRT上以稠密的光点包络重现模拟信号。
基于FPGA的数字示波器
论文题目： 基于FPGA的数字示波器
1.摘要 (4) 2.原理 (4) 3.系统方案对比及分析 (5) 3.1.以FPGA来实现整个系统 (5) 3.2.采用DSP与FPGA来实现整个系统 (5) 3.3.采用FPGA与单片机来实现整个系统 (5) 4.系统设计方案 (6) 5.系统框图 (6) 6.系统技术指标 (7) 7.AD模块简介 (7) 8.频率测量模块及方案比较 (7) 8.1.测周期法 (8) 8.2.测频率法 (8) 8.3.方法选择及使用 (8) 8.4.Verilog设计结构 (9) 9.数据处理模块 (10) 10.FIFO存储模块 (10) 10.1.FIFO_1 (10) 10.2.FIFO_2 (10) 11.Nios II软核模块 (11) 12.VGA显示 (11) 13.系统软件构架设计 (12) 13. Nios II软件实现 (14) 14.1.DMA传输 (14) 14.2.1.PIO中断 (15) 14.系统的测试和分析 (16) 15.总结 (23) 16.参考文献 (24)
1.摘要 随着信息技术的发展，对信号的测量技术要求越来越高，示波器的使用越来越广泛。数字示波器是模拟示波器技术、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。这种数字示波器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。设计提出一个经过优化的数据采集方法，辅以FPGA为主控制器和必备的外围电路完成了基于FPGA的数字存储示波器的设计。系统最大限度地利用了FPGA的高速数字信号处理能力以及众多硬核和软核内嵌的特性，降低了成本和开发难度，且性能优良。 2.原理 数字示波器具有存储数据的能力，数字存储就是在示波器中以数字编码的形式来贮存信号。当信号进入数字存储示波器，或称 DSO 以后，在信号到达CRT 的偏转电路之前，示波器将按一定的时间间隔对信号电压进行采样。然后用一个模/数变换器（ADC）对这些采样值进行变换从而生成代表每一个采样电压的二进制字。这个过程称为数字化。获得的二进制数值贮存在存储器中，对输入信号进行采样的速率称为采样速率。采样速率由采样时钟控制。对于一般使用情况来说，采样速率的范围从每秒 20 兆次（20MS/s）到 200MS/s。存储器中贮存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形。所以，在DSO中的输入信号接头和示波器 CRT 之间的电路不只是仅有模拟电路。输入信号的波形在 CRT 上获得显示之前先要存贮到存储器中，我们在示波器屏幕上看到的波形总是由所采集到数据重建的波形，而不是输入连接端上所加信号的直接波形显示。示波器原理框图如下：
实验二数字存储示波器的使用 加灰色底纹部分是预习报告必写部分 示波器是一种常用的电子仪器，主要用于观察和测量各种电信号。配合各种传感器把非电量转换成电量，示波器也可以用来观察各种非电量的变化过程。示波器有多种类型和型号，但它们基本原理是相同的。本实验是用双信号发生器的输出信号在示波器中合成李萨如图形。 ［实验目的］ 1．了解示波器的主要结构和显示波形的基本原理。 2．学会使用函数信号发生器。 3．学会用示波器观察波形以及测量电压、周期和频率等。 4、理解李萨如图形合成原理及方法。 ［实验仪器］ DS1052E型数字存储示波器、DG1022双通道函数/任意波形发生器、连接线（2根） 【示波管的简单介绍】 示波管如图1所示 示波管包括有： （1）一个电子枪，它发射电子，把电子加速到一定速度，并聚焦成电子束； （2）一个由两对金属板组成的偏转系统； （3）一个在管子末端的荧光屏，用来显示电子束的轰击点。 所有部件全都密封在一个抽成真空的玻璃外壳里，目的是为了避免电子与气体分子碰撞而引起电子束散射。接通电源后，灯丝发热，阴极发射电子。栅极加上相对于阴极的负电压，它有两个作用：①一方面调节栅极电压的大小控制阴极发射电子的强度，所以栅极也叫控制极；②另一方面栅极电压和第一阳极电压构成一定的空间电位分布，使得由阴极发射的电子束在栅极附近形成一个交叉点。第一阳极和第二阳极的作用一方面构成聚焦电场，使得经过第一交叉点又发散了的电子在聚焦场作用下又会聚起来；另一方面使电子加速，电子以高速打在荧光屏上，屏上的荧光物质在高速电子轰击下发出荧光，荧光屏上的发光亮度取决于到达荧光屏的电子数目和速度，改变栅压及加速电压的大小都可控制光点的亮度。水平偏转板和垂直偏转板是互相垂直的平行板，偏转板上加以不同的电压，用来控制荧光屏上亮点的位置。
数字存储示波器的工作原理及软硬件系统的设计 与传统模拟示波器相比.数字存储示波器不仅具有可存储波形、体积小、功耗低，使用方便等优点，而且还具有强大的信号实时处理分析功能。在电子测量领域，数字存储示波器正在逐渐取代模拟示波器。但目前我国使用高性能数字存储示波器主要依靠国外产品，而且价格昂贵。因此研究数字存储示波器具有重要价值。借于此，提出了一种简易数字存储示波器的设计方案，经测试，性能优良。 2 数字存储示波器基本工作原理 数字存储示波器与模拟示波器不同在于信号进入示波器后立刻通过高速A/D转换器将模拟信号前端快速采样，存储其数字化信号。并利用数字信号处理技术对所存储的数据进行实时快速处理，得到信号的波形及其参数，并由示波器显示，从而实现模拟示波器功能，而且测量精度高。还可存储信号，因而，数字存储示波器可以存储和调用显示特定时刻信号。 3 系统分析论证 3.1 A/D实时采样 根据奈奎斯特采样定理，采样速率必须高于2倍的信号最高频率分量。对于正弦信号，一周期内应有2个采样点。为了不失真恢复被测信号，通常一周期内需要采样8个点以上。为了配合高速模数转换器，采用FPGA控制M/D转换器的采样速率，以实现高速实时采样。实时采样可以实现整个频段的全速采样，本系统设计选用ADI公司的12位高速A/D 转换器AD9220，其最高采样速率可达10 MHz。 3.2 双踪显示 本系统设计的双踪显示模块是以高速切换模拟开关选通两路信号进入采样电路，两路波形存储在同一个存储器的奇、偶地址位。双踪显示时，先扫描奇地址数据位，再扫描偶地址数据位。采用模拟开关代替一个模数转换器，避免两片高速A/D转换器相互干扰，降低系统调试难度，并且实现系统功能。 3.3 触发方式
简易数字存储示波器研究 基于MCU8051和FPGA的控制平台，采用实时采样与等效采样两种方式实现了时频率为10Hz－10MHz的波形数据的实时采样，存储与回放。做到垂直灵敏度含1v/div，0.1v/div和2my/div三档，扫描速度合20ms/div，2uv/div，100ns/div 三档。系统的频率测量精度达0.001Hz，电压测量精度达0.05V。自带100KHz 方波信号为系统测频时钟与电压基准源的进行自动校准，此外，还实现了对波形数据的单次触发存储与调出功能和AUTO显示功能。 标签：数字存储；示波器；等效采样；实时采样 1引言 数字存储示波器是20世纪70年代初发展起来的一种新型示波器。这种类型的示波器可以方便地实现对模拟信号波形进行长期存储并能利用机内微处理器系统对存储的信号做进一步的处理，例如对被测波形的频率、幅值、前后沿时间、平均值等参数的自动测量以及多种复杂的处理。数字存储示波器的出现使传统示波器的功能发生了重大变革。 2数字存储示波器基本工作原理 数字存储示波器在信号进入示波器后立刻通过高速A/D转换器将模拟信号快速采样、存储。通过单片机对信号进行处理，得到信号的波形参数，存储并通过D/A转换器后可由示波器显示，从而实现模拟示波器的功能。但相对于模拟示波器，数字示波器测量精度高，还可对信号进行存储。本系统的原理方框图如图1所示： 3系统功能模块与硬件电路 基于数字示波器的基本原理，可以把整个系统分为频率测量、采样保持、触发方式选择、位置调节、显示控制几个主要的模块。模拟信号通过信号调理模块(阻抗变换、程控放大、触发电路)，将模拟信号的幅值大小调整到高速AD(AD9225)的输入范围0V－4V。然后通过AD9225对信号进性采样。我们采用外部有源晶振作为高速AD的采样时钟来控制恒定的采样率4MHz(晶振的固有振荡频率)，在FPGA内部增加波形存储控制模块，当满足触发条件时FP－GA以下抽样的方式对AD转换得到的数据进行存储，抽样频率由可水平分辩率来控制(若为AUTO功能，则与信号的频率有关)。将抽样的数据分别存储到双口RAM中，在送人行列扫描电路(2片DAC0800)前经过了波形显示控制模块，它的作用是对RAM的数据及读入起始地址的进行处理。从而实现波形在模拟示波器上的左右平移。同时在FPGA内部实现了512点的FFT计算，成功得分析了输入信号的频谱。系统的连接框图如图2所示：