（信号与信息处理专业论文）便携式数字存贮示波表的研究与实现——外围控制芯片研制.pdf

镬携式数字存绱示渡表瓤磷究与宴瓣 攘要 本文奔绥了嵇基予d s p + f p g a 结秘鲮囊凌式数字存德示没裳鹣实滋穷案。 在对示波器工作原理和系统结构进行筒授的讨论之后，本文对d s p 核心控制电 鼹、f p g a 芯片黧努圈毫路、l c d 显示控勰器、搂熬遵道、慧速a d 转换等示波表 系统的碛件电路的设计进行了简单介绍。文章讨论的重点集中在由f p g a 实现的 示渡表辨濯控露4 嚣熬设计上。努国控豢l 器囊括了嫒 孛裂缝中几乎辑有数数字电 路，包括频率周期测量、数据采集控制、f i f o 、l c d 驱渤以及f p g a 与d s p 之阍 鹣接口瞧潞等。对上述各个部分内容，本文都对其实现簧法、嫒纠二结构、工于# 劂 序做出了详细的研究，并提供了完备的测试方案。整个外蔺控制器的的碗件电蹄 与系统冀继软、硬4 孛都分协调工乍，很好的实现了示波表的各项功能。 本设计中褥稻的并厢f p g a 内部双圈块r a m 椅成数镶缓存韵实现方案大大豁 麓化了设士 并掇舞了系绫性能。从异步参跗钟系统设讨角度提出的f i f o 灼改进 方案获裙了良好酶工作效栗。激f p g a 求完成系统数字淹路部分硬件设诗的方案 为其他便携式设餐的设计提供了一个很好的设计实例。 关键字；便携式数字存储示波表、d s p 、f p g a 、l c d 、f i f o 、频率测凝 便携式数掌存储示波表的研究鸟实现 a b s t r 鬣罩 i nt h i sp a p e r ，w er e p r e s e n tad e s i g np r o j e c tf o rt h ei m p l e m e n t a t i o n o fp o r t a b l ed i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ( d s o ) b a s e do na na r c h i t e c t u r e b u i 】tb yd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) a n df p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e ( ；a t e a r r a y ) 。a f t e rab r i e fd i s c u s s i o na b o u tt h ed s ot h e o r i e sa n dit ss y s t e m c o n s t r u c t i o n ，w eg oo nw it ht h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n so fd s o ，n a m e l y ， a n o l o g ec h a n n e l ，f p g a ，d s p ，a oc o n v e r t e r ，l c d 。t h em a i np a r to ft h i sp a p e r f o c u so nt h ed e s i g no ft h ep e r i p h e r a lc o n t r o l l e r ，w h i c hi si m p e m e n t e d b yf p g aa n da l m o s ti n c l u d e sa 1 1o ft h ed i g i t a lc i r c u i t so ft h ed s o t h e p e r i p h e r a lc o n t r o l l e rc o n s i s t so ff r e q u e n c yd e t e c t o r ，d a t as a m p l e c o n t r o h e r + f i f o l c dd r i v e ra n dt h ei n t e r f a o ec i r c u j tb e t w e e nd s pa n d f p g a f o ra 1 1t h e s ep a r t s ，w el a u n c hd e t a i l e dr e s e a r c ho nt h e i ra l g o r i t h m s h a r d w a r ec i r c u i ta r c h i t e c t u r e sa n d t i m i n gr e q u i r e m e n t s 。 m o r e o v e r ， w e o f f e ras e l f c o n t a i n e dp l a nf o rt h et e s t i n go ft h o s ec i r c u i t s t h e c o n t r o ll e rc a nw o r kh o r m o n a l l yw i t ht h eo t h e rp a r t so fo u rd s o ，b o t ht h e h a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e t h ep r o p o s e dp r o j e c tt h a tu s i n gt h ed u e l p o r tp & mi n n e rf p g aa sd a t a b u f f e rh a sg r e a t l ys i m p l i f i e dt h ed e s i g np r o c e s sa n de n h a n c e dt h es y s t e m p e r f o r m a n c e t h ei m p r o v e dd e s i g no ff i f oi nr e s p e c to fm u l t i - a s y n c h r o n o u s c 1 0 c kd e s i g n sa c q u i r e sp e r f e c tw o r k i n gp e r f o r m a n c e u s i n gf p g at o i m p l e m e n tt h ed l g i t a lc i r c u i t so fas y s t e mp r o v i d e sag o o de x a m p l ef o r o t h e rd e s i g n so fp o r t a b l ed e v i c e s ， k e yw o r d ：p o r t a h ed i g i t a ls t o r a g eo s c i l i o s c o p e 、d s p 、f 黼a 、 ，e 移、 f i f o 、f r e q u e n c yd e t e c t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 1 一 日期：助易年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：0 王一导师签名： 日期：必弓 攫携式鼗字存镛暴波表静辑究与实骥 第一耄引言 ，1 国内羚数字存储示渡器发装摄述及其特点5 臻 在臻彳弋科技领域当中，电予溺董手段一壹楚电子技术应靥与发震瓣重要舔 题，没有精密检测手段，很难在生产出高质量的电子产品。在电子设备的使用中， 浚有方便可靠韵捡涮工爨，筏不能穰好懿列设餐遴行维护，了繇穰嚣运行情况， 也不能在出故障时进行分析和处理。在菜种意义上讲，电子技术的发展，是建立 在裣涮手段夔撬蠢鹣墓磷上蕊。零滚器楚电子溺爱及裣渊领域中蕞常凳瀚，应震 最广泛的几种仪器之一。它能直观地把备种电信号以波形的方式表达出来，使电 僖号疆了壹褒，荔予分褥。 上个世纪四十年代熄电子示波器兴趣的时代，雷达和电视的开发需骤性能良 好的波形观察工其，带宽i o o m h z 的同步示波器开发成功，这是近代示液器的鏊 础。1 9 7 2 年美圈尼科莱特公司利用模拟数字转换器件( a d c ) 研制成功了世界 上营台数字存储示波器( d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ，篱称d s o ) ，为信 号数字化、数据存储、信号处理及参数自动测试开辟了条新的途径。传统模拟 示波器对手菲矮麓静擎次信号楚缀难薤任静；餐楚，在糯代测量孛，舞：孩黎炸、 数据通信、能源、机械制造等工程技术和科学研究领域，都得检测大量单次瞬态 信号。数字存德示滚嚣与传统筑攘掇示汲器秘毙，具有舞动测试、实露攘获、多 种触发功能、波彤存储与运算，特别是处理单次瞬态信号的能力簿突出的优点。 隧善徽处理爨、丈怒模集成宅爨、高速a d 转羧嚣等鼓术翡发震，数字存镶示波 器迅速发展并有逐步取代模拟示波器的趋势。 与模蓣示液器相比，数字存储示波器其有以下优点”： 1 。 本积小，易于操作 数字存储示波器由于应用了大规模集成电路和微处理器，再加上采用液晶作 为显示簸爨，大大篱佬了俸蔌，并显功畿强大、蠖能稳定。慰震户来滋赛嚣麓洁， 易于操作。 2 溺量精度离，自渤显示测量结采，消除视差影响 模拟示波爨的扫撼速度残锯卤波扫描信号决定，疆数字存储示波器的扫 便携式数字存储示波表的研究与实现 描速度由取样时钟间隔和l c d 上单位长度所具有的采样点数来决定。由于其采用 晶振作为时钟，因此具有很高的测试精度。若采用更高分辨率的a d 转换器则能 使测量精度更加提高。 3 触发方式多样 数字存储示波器有多种触发，按触发方式分有自动触发、正常触发、单次触 发；按触发边沿分有上升触发和下降沿触发。这些都方便用户分析故障产生原因。 同时，传统示波器只能观测触发点以后的波形，而在工程技术、科学研究重往往 需要观测触发点以前的波形以分析问题，数字存储示波器正具有这样的优点，它 的预触发( 负延迟) 功能可以方便显示触发点以前不同时刻的波形。 4 显示方式灵活 滚屏、包络、无限余晖、高速刷新等多种显示方式，便于各类不同性质和用 途信号的观察。由于被测信号的多样性和复杂性，就要求示波器具有相应的显示 方式。数字示波器引入了数字处理技术，并与计算机一起构成智能化联机系统， 使其对于复杂单次瞬变信号的记录存储及分析研究非常有效。其存储显示方式可 稳定地显示其存储下来的瞬态信号，并可任意扩展和移动。当在测量低频信号时 数字存储示波器自动进入滚动模式显示，波形从左到右滚动前进，用户可以通过 屏幕波形运动轨迹清楚地观测到波形变化情况，而传统的模拟示波器因为c r t 的余辉时间很短，因而难于显示频率很低的信号“。 5 数据存储功能 既然叫做数字存储示波器，其存储功能是它优于模拟示波器的一个重要方 面。数字存储示波器将模拟信号经过a d 转换成数字信号后，存到半导体存储器 中，用户在需要时可随时调出显示，同时便于观测单次过程和缓慢变化的信号， 方便对问题的分析解决。 6 、先进的f f t 、统计分析等数学处理功能，甚至无需借助计算机，实时同 步计算显示。 随着微电子集成技术、微计算机技术、数字技术的飞速发展，现代数字化 存储示波器的研究与开发也有了更快的发展，是近年发展最快的仪器。各大公司 和厂家相继投入巨资研究、开发该类仪器，以图率先占领此技术领域。目前，在 数字存储示波器领域内领先的国家是美国和日本，主要生产厂家有美国的 a g i l e n t ( 中文名称安捷伦科技公司，前身是h p 公司) 、t e k t r o n e x ( 泰克公司) 、 f l u k e ( 福禄克公司) 、k e n w o o d ( 建伍) 和日本的横河电机株式会社等。 便携式数字存储示波表的研究与实现 目前，各大公司不断推出更高技术含量的产品。例如t e k 公司推出的数字荧 光示波器d p o ( d i g i t a lp h o s p h o ro s c i l l o s c o p e s ) ，能够实时显示、存储和分 析复杂信号，利用三维信息( 振幅、时间性及多层次辉度，用不同的辉度显示幅 度分量出现的频率) 充分展现信号的特征。而a g i l e n t 公司生产的i n f i n i i u m 5 4 8 0 0 系列示波器最高带宽达6 g h z ，最高采样率2 0 g s a s ，4 通道，每通道存储 深度可达3 2 m b ，代表了当今示波器的最高水准。 尽管在国际上数字存储示波器的技术产品已经逐渐成熟，但我国目前在数字 存储示波器的生产领域内还处于起步阶段。北京普源精电科技有限公司目前自主 开发的d s 3 0 0 0 系列数字存贮示波器最高带宽1 0 0 m h z ，采样率25 g s a s ，单次 采样率最高为4 0 0 m s a s ，这是目前所知国内研发最高水准的示波器，但因技术 和资金原因至今还未投入市场。因此打破国外企业的市场垄断，发展我国电子测 量领域技术已成当务之急，否则我们同国外的差距只能越来越大。 1 2 便携式数字存储示波表的发展现状 传统的示波器虽然功能齐全，但是体积大，重量重，成本高，等一系列的特 征，从而使其应用受到了限制，不能像数字万用表那样，几乎每个电子工程师都 能作为必备的常用工具。但在今天几乎无所不在的电子产品应用中，尤其是加速 现代化的国防领域，现代军事通信的迅速发展，电子技术的应用，数字网络的出 现，以及航空，航大领域特殊的环境要求，都对电子设备线路的安装，维护提出 了更高的要求，传统的万用表己经无法适应。因为现在不仅测量电压，电阻等静 态参数，还要对各种有用的信号及噪声信号进行实时的，瞬态的分析，以便及时 的了解信号的质量的好坏，快速准确地进行故障诊断。这就往往需要示波器。由 于原来的示波器有诸多的麻烦，使人们寄希望于电子技术领域的最新成就。有鉴 于此，集数字存储示波器，数字万用表，频率计三者功能于一体的便携式数字存 储示波表就应运而生，其采用了基于l c d 显示技术，a d 技术，a s i c 技术，集 成模拟技术，c p u ，p c b 和s m t 表面贴装技术等新技术。 便携式数字存储示波表具有极高的技术含量、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。数字存储示波表就目前了解的情况看，国内虽有这 方面的研究，但尚无本国产品上市，属于测试仪表方面众目交注的领域。有关这 方面的资料匮乏，虽偶有报道，但多基于传统c r t 示波器的思想，技术层次较低。 国外在这方面超前我国，技术含量较高，以美国f l u k e 公司为代表，其最新推出 的f 1 9 9 c s 便携式全彩色数字余辉示波表达2 0 0 m 带宽，2 5 g s a s 实时采样率， 便携式数字存储示波表的研究与实现 2 7 5 0 0 点深存储，双通道隔离，即发即停，触发即启动，趋势绘图，5 0 0 0 字显示、 真有效值、自动量程数字万用表，带s c c l 9 0 套件( 软件、光隔离r s 2 3 2 接口电缆、 便携箱) 。但鉴于技术保密和封锁，我们在设计自己的便携式数字存储示波表时， 有关解决若干重点难题的关键技术，基本上无处可寻。 1 3 本论文的主要工作 尽管在国际上便携式数字存储示波器已经有了很大的发展，但我国在这个领 域内的研究才起步不久，因此开发经验和参考资料很欠缺。同时国内的集成电路 制造工艺、p c b 制作水平和电子器件的开发都有待发展，所以直接研发高档示波 器是不现实的。通过了解市场需求、技术水平等综合考虑，我们把研究方向定位 在中低档便携式数字存储示波表的研制，以此为基础，逐步缩小与国外的技术差 距，以此谋求更进一步的发展。本设计实现了便携式数字存储示波表的模型，在 提出其技术指标之前先简单介绍几个与示波器相关的术语。 手持式数字存储示波表的关键部分是数字存储示波器部分，其技术指标与模 拟示波器类似，下面仅分析一下与波形存储有关的基本技术指标”“。 1 最大取样速率 单位时间内完成的完整a d 转换的最高次数，常以频率来表示，取样速率越 高，反映仪器捕捉信号的能力越强。取样速率主要由a d 转换速率来决定。当数 字存储示波器采用不同的a d 转换技术时，仪器的最大取样速率亦不同。数字存 储示波器在测量时刻的实时取样速率可根据被测信号所设定的扫描时间被测信 号所设定的扫描时间( t d i v ) 来推算。 ，= 蒜 ( 1 1 ) 式中： n 一一为每格的取样数； t d i v 一为扫描时间因数，即扫描一格所占用的时间。 2 存储带宽 存储带宽与取样速率密切相关。根据取样定理，如果取样速率大于或等于信 号频率的2 倍，便可重现原信号波形。实际上，为保证显示波形的分辨率，往往 要求增加更多的取样点，一般取4 。1 0 倍或更多。 3 分辨率 分辨率是反映存储信号波形细节的综合特性，它包括垂直分辨率( 电压分辨 率) 和水平分辨率( 时间分辨率) 。垂直分辨率与u d 转换器的分辨率相对应， 常以屏幕每格的分级数( 级d i v ) 、或百分数来表示。水平分辨率由存储器的容 便携式数字存储示波表的研究与实现 量来决定，常以屏幕每格含多少个取样点或百分数表示。 4 存储深度 存储深度又称记录长度，它由采集存储器( 主存储器) 的最大存储深度来表 刁i 。 本课题要实现的最终设计目标：集数字万用表、数字存储示波器、数字频率 计三者功能为体，既可进行电阻等元器件参数及电压、电流测量，也可对信号 波形参数进行测量、显示、分析。 单通道，手持，交直流供电 模拟带宽i o m h z ；单次带宽5 m h z 取样率4 0 m s a s 量化分辨率8 h i t s 记录长度2 k b 上升时间 另一方面，f p g a 作为协处理器必然需要向处理器发送上行信号以通知d s p 其当前的工作状态，并且要求d s p 做出相应的响应。从具体的功能上讲，该类上 行信号主要有两个。第一，f p g a 需要在d s p 能够接收新数据的阶段向d s p 发送 触发脉冲，从而通知d s p 信号满足触发条件的时刻并开始准备接受新数据；第二， 由于显示缓存区的容量不足以满足存放显示满屏数据，f p g a 必须在显示缓存区 即将被读空之前通知d s p 进行显示缓存的刷新。综合两个信号的特征，两者均为 时间信号，并且需要d s p 立即做出响应，用中断来实现这类通信最为恰当，所以， 系统设定d s p 的中断a 和中断b 来完成其功能。系统在这两个中断下的工作流程 分别如图2 6 及图2 7 。 便携式数字存储示波表的研究与实现 图26 触发中断响应流程图图2 7 显示中断响应流程图 2 2 4 f 1 1 g a 模块功能定义 作为外围控制器的f p g a 部分主要完成a d 采样控制、采样数据缓存、信号 频率n 期测量、l c d 显示器驱动、显示数据缓存等由数字电路实现的功能。为 了其内部的各个功能模块能够正常的工作，f p g a 内部需要具备时钟产生单元来 为各个模块提供所需的工作时钟。另外，设计中还设置总线仲裁单元来作为外围 控制器子系统的控制单元并提供外部接口。关于f p g a 内部各个功能模块，本文 讲在以后的部分详细的介绍其算法设计及实现，这里就不再赘述了。 便携式数字存储示波表的研究与实现 第三章示波表系统硬件平台的构建 承接上一章中系统设计的内容，本章考虑上一章中所设计的功能模块的物理 实现问题。主要包括模拟信号预处理电路设计、信号采样电路设计、触发电路设 汁。列+ 于系统中使用到的关键器件d s p 、f p g a ，本章将简要介绍其性能指枥i 作为 器件选择的理由，文章介绍的重点将集中在其外部电路的设计以及可编程器件的 配置方案上。 3 1 输入通道“1 由于示波表允许的输入信号幅度和频率范围都很广，必须经过输入通道列信 号进行适当的变换后才能送给 d 采样。输入通道由信号通道与测量通道两部分 组成。信号通道由输入偶合电路、衰减器、输入保护、跟随器、及控制电路组成， 完成对输入信号的输入偶合方式、信号程控衰减、程控放大、输入信号电平移位、 保护控制及阻抗变换等功能。测量通道由测量驱动电路和标准参考电路及测量保 护电路构成，完成对电阻、二极管等元件参数的测量。这里主要介绍信号通道， 如图3 1 所示。 篓台嚣h 程控蠢黼h 档罐太电h 电器。h 加i ff 。 、 r 。i 通雩穿器 叫竺i 触发产 占旱 生电路 号 图3 1 输入通道原理框图 上图中的输入偶合、程控衰减电路、程控放大电路和电平叠加电路的实现力 案相对都很成熟。我们利用运算放大器0 p a 6 5 5 、和o p a 6 5 0 辅之以适当的反馈电 阳即可完成电路的构造。程控方案是由在各个运算放大器单元引入继电器，通过 继电器各端口的通断为运算放大器选择不同的反馈电路来实现的。 图中的通道控制寄存器是由8 b i t s 积存器7 4 h c 5 7 4 完成的。积存器的每位输 出控制继电器一个端口，系统通过改变积存器的值完成对输入通道的控制。在电 便携式数字存储示波表的研究与实现 路实现中，系统将7 4 h c 5 7 4 低位触发器的输出端与相邻高位触发器的输入端级连 构成个8 b i t s 的移位寄存器。由此，d s p 只需要通过两条端口线( 数据线和时 钟信号线) 即可把控制信息传送到输入通道电路。 输入信号经过程控衰减和放大之后已经满足了a d 转换器输入信号的电平 要求了。框图中的电平叠加电路同样是由运算放大器0 p a 6 5 5 实现。该部分电路 的功能是给调理好的信号叠加上一个直流电平，从而改变信号在l c d 显示器中y 轴的位置。直流电平的大小也是系统控制方案的一部分，d s p 根据波形上下移动 的要求将控制字送到两路串行d a 转换器1 4 4 6 1 ，1 4 4 6 1 将数字信号转换成模拟 电平后由0 p a 6 5 5 完成电平叠加。 3 2 触发电路的设计 在数字存储示波器和逻辑分析仪系统中，都需要有触发功能，这是测试系统 获得所要观察信号一种重要的方法。归纳起来，触发方式大致可以分为以下三大 类：根据触发信号的来源不同，可分为“内触发”和“外触发”；根据触发边沿 的不同，可分为“上升沿触发”和“下降沿触发”；根据触发时间的不同，可分 为“同步触发”、“正延迟触发”和“负延迟触发”。本节将详细阐述触发电路的 工作原理和具体设计。”1 3 2 1 触发信号的产生 触发信号产生电路主要是解决触发电平控制的问题。触发信号来源于信号本 身( 内触发) 或外触发输入端，由于这些信号不一定是规则的方波或脉冲，所以， 在将这些信号输入f p g a 之前，需要通过比较电平对他们进行整形。整形之后的 信号即可f p g a 内部形成各种触发形式的信号并进行选择，然后送往d s p 以等待 回应。通过对触发电平的设置，系统就可以控制触发点在信号周期内的相位关系。 同样如图3 1 所示，d s p 根据自动设置或用户选择的触发电平值产生对应的 控制字，控制字送往d a 转换器( 1 4 4 6 1 ) 产生对应的比较电平。触发信号通过 迟滞比较器( a d 8 5 6 1 ) 与比较电平进行比较形成经过整形的数字信号，然后通过 数据选择器选择触发源。由于触发信号与d s p 之间的通信是通过中断来进行的， d s p 就有必要对触发信号的开关进行控制，以防止频繁的中断对数据处理带来的 影响。在本设计中，d s p 通过向f p g a 发送触发使能控制字来决定f p g a 是否发送 触发中断。 便携式数字存储示波表的研究与实现 3 ，2 ，2 触发时闻的控糊 触发时问的控制是指同步触发、正延迟触发和负延迟触发功能的实现。由于 设计中引入了相当灵活的f i f o 控制器，数据存取的时间上的控制就转化成了对 数据存取起始和结束位置的控制，因此系统对触发时间的控制体现在对f i f o 读 写指针的控制上。d s p 根据系统设置的触发时间数据，综合产生触发提前量在响 应触发中断后送往f i f o 控制器。f i f o 控制器在收到触发提前量以后，根据当前 写指针的位置设置该次数据采集写指针的结束位置和送数的读指针的起始位簧。 u 触发中断 3 2 触发时间控制示意图 如上图所示三种不同触发方式通过转化就体现在触发提前量的正负及大小 上了，当触发提前量为正时，系统处于负延迟触发状态；当触发提前量为负时， 系统处于正延迟触发状态；若触发提前量为0 ，系统就处在了同步触发的状态下 了。在这里，本文只简要介绍触发时间控制的基本实现原理，关于f i f o 控制器 的工作时序及实现方案将在以后的部分详细介绍。 3 3 信号采样电路及预处理 3 3 1 取样基本原理”9 示波器是时域测量仪器，要求它不失真的显示波形。裉据奈奎斯特抽样定理， 一个频带有限信号，他没有频率在f m 以上的频谱分量，是唯一地由其在限于 l 2 f m 内的均匀间隔上的取值来决定的。也就是说，一个频率有限信号f ，可以 由2 f ( 或大于2 f ) 的均匀采样的离散样品来替代，而不丢失任何信息。 理想抽样函数的表达式： s a = s i n ( x ) x ( 3 1 ) 函数形状如图3 3 所示： 便携式数字存储示波表的研究与实现 f ( x ) = s i n x x 、i八 vv v。v v 。 图3 3 抽样函数 由离散的样品恢复原函数，只要将抽样函数通过截止频率为u m 的低通滤波 器即可。在理论上，相当于抽样函数进行时间卷积，即 f ( t ) = ，s a ( a 。f 一”厅) r39 、 其中：f m 为离散样品的幅度值，s a ( m t nj i ) 为抽样函数。 数字存储示波器的取样方式有：实时取样和等效取样，而等效取样又可分为 随机取样和顺序取样。 ( 1 ) 实时取样 采用实时取样的d s o ，对每个采样周期的采样点按时间顺序进行简单的排 列就能表达一个波形，如图3 4 所示。这种示波器测量重复信号和测量单次信号 具有相同的贷款，也称实时带宽( r e a l - t i m eb w ) 。为了提高带宽，必须提高采 样速率。根据奈奎斯特定理，采样频率至少必须两倍于被测信号的上限频率。但 是，由于实际被测量的信号又可能存在高频分量，为了不违背奈奎斯特采样定理， 避免混迭现象的发生，实际中实时采样d s o 的采样频率一般规定为带宽的4 - 5 倍。同时还必须采样适当的内插算法。如果不用内插算法，则规定采样速率为实 时带宽的1 0 倍。 ，噜“。! ：5 ； ； ； ； ： 辕 # 号tt 。， 、“。十 _ 。 、 4 。ki - ， 壤抟黔耙| ；lj ；ii ； i ；i ； i ； 图34 实喇采样示意图 便携式数字存储示波表的研究与实现 ( 2 ) 随机取样 由于实利取样d s o 要求取样速率高，如果需要具备i o o m h z 测量带宽就要求 d 的转换速度不能低于4 0 0 m s s ，这样高速的a d 和样品存储器价格都比较高。 因而目前高带宽并且纪律长度长的实时取样d s o 其价格还相当昂贵。由于大多数 测量对象都是重复信号，为了以较低的取样速率获得较高的重复信号测量带 宽，必须采用随机采样回顺序采样这样的等效采样的方法。 图3 5 随机取样示意图 所谓随机采样，是指每个采样周期采集一定数量的样品，经过多个采样周期 的样品积累，最终恢复出被测波形。图3 5 是随机取样的时序图。由于信号与采 样时钟之间没有同步关系，每个采样周期的出发点( 由信号沿产生) 与下一个采 样点之间的间隔是随机的；由因为信号是周期的，可以将每个采集周期的采样等 效为由触发点确定的“同一时间”的采样。因而通过多个采样周期后，以触发点 为基准将整个采集周期的样点拼合，可以得到一个重复信号由触发点确定的一段 波形的密集的样点，这样就恢复出了这段波形。采用随机采样的d s o 的重复信号 测量带宽主要取决与模拟通道和取样器，而取样器的带宽又与取样窗口的时问有 关。根据模拟取样示波器原理，取样器的带宽与取样窗口的关系近似为： ，1 = o4 5 r ( 3 3 ) 其中：f 是取样器带宽，m h z t 是取样脉冲有效带宽。 ( 3 ) 顺序取样 顺序取样方式主要用于数字取样示波器中，能以极低的取样速率( 1 0 0 k h z 或2 0 0 k h z ) 获得极高的带宽( 高达5 0 g h z ) ，并且垂直分辨率在1 0 b i t s 以上，由 于这种示波器每个采集周期在波形上只取一个样点，每延迟一个以知的at 时 间，要想采集足够多的样点需要更长的时间才行。不能进行单次捕捉和预触发观 察，乜是它的缺点。因此，这种方式被采用的不多。取样原理如图3 6 所示。 便携式数字存储示波表的研究与实现 图3 6 顺序取样示意图 3 2 2 信号采样电路设计 相对而言，本课题中的带宽的要求不是很高，而对于触发的种类要求较多， 所以我们采用实时采样方式。根据采样原理，数据采集电路实际上应该包括数据 的a d 转换、存储到发送到d s p 进行处理的整个过程的电路实现。由于在此后的 章节我们会专门的介绍外围控制器内部f i f o 及f i f o 控制器的实现，在这里，我 门集中介绍硬件电路中分离器件的应用。换句话说，本节仅考虑信号由模拟电路 进入数字系统的接口电路一a d 转换器的选择和电路设计。依照系统带宽和速度 要求采用的模数转换其时t i 公司出产的t l c 5 5 4 0 。该芯片是高速、8 位a d c ， 最高以每秒4 0 兆采样次数( 4 0 m s p s ) 的采样率进行转换。t l c 5 5 4 0 使用半闪速 ( s e m if 】a s h ) 结构和c m o s 工艺，能以高速进行转换，同时仍保持低功率损耗 ( 8 5 m w 1 1 y p e ) 与成本。用以从5 v 电源产生2 v 满度基准电压，从而减少了外部 元件数。数字输出置于高阻方式。t l c 5 5 4 0 仅需要单5 v 电源工作，具有内部采 样和保持功能，模拟输入带宽( 7 5 m h zt y p e ) ，其差分线性度误差( + o 3 l s bt y p e ) 积分线性度误差( o 6 l s bt y p e ) 。很好的满足了我们的性能指标。同时r l ，c 5 5 4 0 的封装为n s 表面贴装，减小了印制板体积。“2 1 t i 。c 5 5 4 0 使用修正的半闪速结构( r o o d i f l e ds e m if l a s ha r c h i t e c t u r e ) 。每 输出模块转换结果的有效位由比较器产生。可以转换的模拟输入的范围由 r e f b 和r e f t 决定，r e f t 是最大基准电压，r e f b 是最小基准电压。t l c 5 5 4 0 用产 生2 v 满度范围的r e f l 、= 2 6 v 和r e f b = o 6 v 测试。它可以在r e f t r e f b = 5 v 的情况 便携式数字存储示波表的研究与实现 下工作。在我们的设计中为简化电源电路就给r e f t 提供+ 5 v 电压，让r e f b 接地。 图3 7t l c 5 5 4 0 参考端连接图 系统对t l c 5 5 4 0 的控制主要体现在对两个接口信号的控制上，其一是输入通 道送来的模拟信号a n a l o gi n ；其二是采样时钟信号c l k 。对于a n a n l o gi n ，系 统通过程控放大器来改变其幅度，一方面使得信号落在t l c 5 5 4 0 的转换电平范围 内，保证t l c 5 5 4 0 正常工作，另一方面也可以相应的改变其转换所得数据的大小。 采样时钟信号c l k 由采样控制器提供，系统通过改变c l k 改变t l c 5 5 4 0 的采样速 度。关于采样控制器将在下一章中详细的介绍。经过m 9 变换后的数据进入f i f o 单元缓存，为了满足系统对数据有效时刻和数量的要求，系统会相应的改变f i f o 读、写指针的相对位置，以及f i f o 缓存数据的时间间隔来筛选出有效的数据以 待进一步的数据处理。 3 4主处理器的物理实现巾s p 5 6 8 0 5 通常作为一个系统的中央处理器( c p u ) 可以采用单片机担当，由单片机来完 成显示控制、采集控制和数据处理功能。但是单片机存在一些缺点，工作频率低， 采用传统处理器的冯诺依曼结构( y o nn e u m a n n ) ，冯诺依曼结构指的是将程 序与数据统一编址，不区分存储器的程序空间和数据空间，其缺点是指令执行速 度慢，数字信号处理功能差等。“”伸4 3 相比之下，d s p ( d i g i t a s i g n a lp r o c e s s o r ) 即数字信号微处理器，具有 数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，哈佛结构是指将程序空 间与数据空间分开编址，这样在d s p 处理数据空间运算与数据传输的同时可以并 行地从程序空间读取下一条指令，这样读程序和读写数据可同时进行，大大提 便携式数字存储示波表的研究与实现 高指令的执行速度。 d s p 在内核设计方面还有一个特点，是采用多重流水线结构。流水线结构的 层次深度可以从3 级到6 级。程序的执行过程大致可以分为读指令、指令译码、 指令执行等几个阶段。d s p 在第一个时钟周期读第一条指令；在第二个时钟中期 内在译码第一条指令的同时读入第二天指令；在第三个时钟周期从阿执行第一条 指令，泽码第二天指令，同时读入第三条指令。这样，虽然执行一台指令需要3 个周期，可是由于采用了并行的流水线处理，看起来好像每条指令都是在一个阍 期内完成的，这就是流水线技术。针对数字信号处理( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) 中需要大量乘法累加运算的特点，d s p 大多配有独立的乘法器和加 法器，大大加快了f f t 的蝶形运算速度。d s p 芯片专门用于完成各种实时数字信 息处理，它是在数字信号处理的各种理论和算法基础上发展起来的。当今世界上 主要d s p ：薛片提供厂家有美国的德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s 和m o t o r o l a 公司等。 综上所述，采用d s p 来担当我们设计的中央处理器便是理所当然了。d s p 5 6 8 0 5 是m o t o r o l a 公司生产的低端1 6 位5 5 8 0 0 系列d s p 产品之一。其特点如下： ( 1 ) 功耗低，价格便宜 ( 2 ) 丰富的i o 口和多种外围设备 ( 3 ) 关键部分采用双哈佛结构，支持并行处理 ( 4 ) 在8 0 m h z 时钟频率下可达到4 0 兆条指令s ( m i p s ) 的指令执行速度 ( 5 ) 支持1 5 种不同的寻址方式 ( 6 ) 具有两个带扩展的3 6 位累加器 ( 7 ) 支持1 6 位双向循环移位 ( 8 ) 支持位操作 ( 9 ) 支持硬件d o 、r e p 循环指令 ( 1 0 ) 支持可由用户灵活定义的多级中断优先级 ( “) 具有3 条内部地址总线和1 条外部地址总线 ( 1 2 ) 具有4 条内部数据总线和1 条外部数据总线 ( 1 3 ) 支持d s p 和m c u 两种功能风格的指令系统 ( 1 4 ) 寻址方式类似m c u 风格。摆令代码简洁易学 ( 1 5 ) 高效的c 编译器，支持局部变量 ( 1 6 ) 支持软件子程序，中断堆栈空间仅局限于存储器空间的大小 、r r a g o n c e 程序调试方便，允许在系统设计过程中随时进行调试，并可对软 件进行实州调试。 便携式数字存储示波表的研究与实现 在设计中d s p 5 6 8 0 5 外围电路结构如图 图3 8d s p 5 6 8 0 5 外围电路结构图 系统外扩展6 4 k b 的静态r a m ( g s 7 2 1 1 6 ) 作数据存储器，其中2 k b 的存储空 间映射为l c d 的显示缓冲区。另有2 k b 的存储空间作为i o 端口扩展，由f p g a 译码后控制通道等操作。外扩存储器的控制同样由f p g a 的总线仲裁单元来完成。 d s p 5 6 8 0 5 的地址总线将分别连接到静态存储器s r a m 和f p g a 芯片，数据总 线分别连接到s r a m 、f p g a 和d a 转换芯片。d s p 的部分多功能i o 口用于控制 示波表的通道电路。 d s p 5 6 8 0 5 内部有8 通道的双a d 转换器，其中4 个通道用于键盘接口，另 一个a d 作万用表的测量输入。为了提高测量的精度和稳定度，d s p 的r h y 输入 端连接精密电压基准源。 由于引入了f p g a 作为系统的协处理器辅助d s p 完成控制功能，d s p 5 6 8 0 5 有 足够的端口资源来供扩展使用。系统放弃了原先设计的利用d s p 5 6 8 0 5 的内部a d 转换器扩展键盘的实现方案，而直接利用端口扫描实现键盘逻辑。这样的方案进 一步简化了系统的设计，同时，也使得系统性能更加可靠、稳定。 3 5 外围控制器的物理实现x c 2 s 5 0 p 0 2 0 8 在第二章系统结构的设计中我们已经论述的利用现场可编程门阵列来实现 系统外围控制器的设计考虑。在具体的实现中，我们选择x i l i n x 的s p a r t a ni i 便携式数字存储示波表的研究与实现 系歹0f p g a 中的x c 2 s 5 0 p q 2 0 8 来完成该部分电路。x j1i f i x 的s p a r 3 1 a nl l 系列器 件是2 5 v s r a m 工艺f p g a ，属于s p a r t a n 的升级产品。s p a r t a n i 系列是高性能 的f p g a ，系统逻辑门从1 5 ，0 0 0 到2 0 0 ，0 0 0 不等，系统的工作频率可高达2 0 0 m h z 。 s p a r t a n i i 系列是采用的基于v i r t e x 的流线结构。值得一提的是，这种系列f p g a 具有片上块r a m 和分散r a m ，1 6 种可以选择的i o 电平标准和4 个全数字时钟延 时环d l l s 。另外，它具有无限次的重复可编程的特点和特别低的功耗。以上特点 给用户电路设计带来很大的灵活性。 x c 2 s 5 0 器件具有5 0 0 0 0 典型门、7 6 8 s 1 i c e s 、8 个独立的r a m 块( 每块r a m 的容景是4 k b i t s ) 。本设计使用采用p q 2 0 8 贴片封装的x c 2 s 5 0 器件，具有1 4 7 条可用i 0 引脚。 x j l i n x 公司的f p g a 器件配置方式主要由主动方式和被动方式两类。主动方 式下由印g a 器件引导配置操作，控制外部存储器件和初始化过程，配置时钟由 f p ( ；a 内部振荡器提供，频率一般为2 、1 0 m h z ；被动配置方式下f p g a 器件作为从 部件工作，由外部控制器引导其配置。按照配置数据的串行和并行状态，配置方 式还可以分为串行配置和并行配置。另外，还可以根据j t a g 标准利用边界扫描 电路对f p g a 进行配置。主动配置方式主要使用串行或并行e p r o m 作为配霞数据 的存储介质，f p g a 为e p r o m 提供控制信号，读取e p r o m 数据，但由于e p r o m 为 只读设备要f p g a 的编程内容就需要e p r o m ，对于系统功能的重构来说，此种配 置方式显得不够灵活。被动配置方式可以通过智能主机对f p g a 进行配置，配置 数据可以来源于海量存储设备，甚至可来源于磁盘文件，用户口j 随时通过软件改 变f p g a 的配置内容，从而重构电路功能。这对于系统的调试阶段尤其有用，另 外，在系统重构技术也正是采用f p g a 的被动配置方式来实现识字电路系统功能 的改变，从而实现多种功能硬件设备的一体化。 x c 2 s 5 0 器件的配置流程如图3 9 ： 便携式数字存储示波表的研究与实现 图3 9x 6 2 s 5 0 配置流程图 便携式数字存储示波表的研究与实现 本课题对x c 2 s 5 0 器件的配置使用到了主动串行方式和被动串行两种配置方 式。当系统初期调试时，系统通过接口电路与p c 机相连接，由p c 通过被动串行 方式对f p g a 进行配置。当系统定型以后，系统使用x 订i n x 公司生产的x c l s v 0 1 专用配置e p r o m 通过主动串行方式对f p g a 进行配置。x v l 8 v 0 1 是x 订i n x 专门为 f p g a 开发的可编程配置芯片，其配置过程和方式和f p g a 完全一致，所不同的在 于它是基于e p r o m 技术的，所以，掉电不丢失数据。图3 t 0 是s p a r t a n i i 系列 f p g a 工作在主串模式和从串模式的电路原理图。 图3 1 0f p g a 工作电路 如上图所示，x c 2 s 5 0 以主串方式工作( m a s t e rs e r i a l ) 与x c i 8 v o l ( 与图 中1 7 5 0 0 a