（测试计量技术及仪器专业论文）数字存储示波器专用显示控制电路与多功能触发电路设计研究.pdf

摘要 摘要 讨论了“数字存储示波器专用显示控制电路设计 和“数字存储示波器多功 能触发电路设计”两个主要内容，详细阐述了两个电路的功能、设计目标和设计 方案。 首先详细介绍了数字存储示波器专用显示控制电路的设计，介绍了电路的主 要功能。按照不同的模块功能，先后讨论了l c d 控制器的设计、双口r a m 控制器 的设计和数据处理模块的设计，在讨论的过程中分别介绍了每个模块的功能、详 细的设计方案，还针对有些模块做了必要的时序仿真以及对仿真结果的分析。 接下来介绍了数字存储示波器多功能触发电路的设计。示波器触发的目的就 是为了每次显示的时候都在波形的同一位置开始，波形可以稳定的显示，而多功 能触发电路的主要功能是实现状态( 码型) 触发。文中首先介绍了触发电路的功 能，然后对多功能触发电路的设计目标和实现方案做了说明，紧接着分模块对触 发源选择、触发条件设置、触发使能状态机等每个模块的功能、设计方法和电路 的仿真结果做了详细的阐述和讨论，最后还对电路的调试过程和结果做了说明。 关键字：数字存储示波器，f p g a ，l c d ，双口r a m ，多功能触发，状态机 a b s t r a c t l 一 a b s t r a c t t w ot o p i c s ”t h e & s i g no fs p e c i a lp u r p o s ed i s p l a yc o n t r o lc i r c u i to fd i g i t a ls t o r a g e o s c i l l o s c o p e ”a n d ”t h ed e s i g n o fm u l t i f u n c t i o nt r i g g e rc i r c u i to fd i g i t a ls t o r a g e o s c i l l o s c o p e ”a r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r , t h et w o e l e c t r i cc i r c u i t sf u n c t i o n s ，t h ep r o j e c t o b j e c t i v ea n d t h ed e s i g np r o p o s a la r ee l a b o r a t e di nd e t a i l t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h ed e s i g no fs p e c i a l - p u r p o s ed i s p l a yc o n t r o lc i r c u i to f d i 时脚s t o r a g eo s c i l l o s c o p e i nd e t a i l ，i n t r o d u c e d t h ee l e c t r i cc i r c u i t sf u n c t i o n s a c c o r d i n gt od i 毹r c mm o d u l e sf u n c t i o n s ，d i s e a s e dt h el c d c o n t r o l l e r sd e s i g n ，t h e d u a lp o r tr a mc o n t r o l l e r sd e s i g na n dt h ed a t ap r o c e s s i n gm o d u l ed e s i g ns u c c e s s i v e l y , i 1 1 t l o d u c e de a c hm o ( 1 u l e sf u n c t i o n , t h ed e t a i l e dd e s i g np r o p o s a ls e p a r a t e l y , a n da l s o a i m e da ts o m em o d u l e st om a k et h ee s s e n t i a lt i m i n gs i m u l a t i o n a sw e l l 够t h e s i m u l a t i o nr e s u l ta n a l y s i s 。 t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ed e s i g no fm u l t i f u n c t i o nt r i g g e rc i r c u i to fd i g i t a l s t o r a g eo s c i l l o s c o p e t h eg o a lo fo s c i l l o s c o p e st r i g g e ri s t os t a r tf r o mt h ei d e n t i c a l p o s i t i o no fw a v e f o 棚【l sw h e ne a c ht i m ed e m o n s t r a t e st h ew a v e f o r m so nl c d ，a n d t h e w a ，v e f b n n sc a i lb es t a b l e t h em u l t i f u n c t i o nt r i g g e rc i r c u i t sm a j o rf u n c t i o ni st or e a l i z e m ec o n d i t i o n ( c o d ep a t t e r n ) t r i g g e r t h ea r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h ef u n c t i o no ft r i g g e r c i r c u i t a n dn e x te l a b o r a t e d 也em u l t i f u n c t i o nc i r c u i t so b j e c t i v ea n dd e s i g np r o p o s a l ， 也e nd i s c u s s e dt h ed e s i g no ft h et r i g g e rs o u r c es e l e c t i o nm o d u l e ，t r i g g e rc o n d i t i o ns e t l o d u l e s 1 a t en l a d 【l i n eo ft r i g g e re n a b l e ，e l a b o r a t e de v e r ym o d u l e sf u n c t i o n , d e s i g n m e t h o da n ds 曲u l a t i o nr e s u l t s a n a l y s i s ，t h e nl a s ti n t r o d u c e dt h ed e b u gp r o c e s sa n d d e b u gr e s u l t k e yw o r d s ：d i g i t a ls t o r a g e o s c i l l o s c o p e ，f p g a ，l c d ，d u a lp o r t r a m ， m u l t i f u n c t i o nt r i g g e r , s t a t em a c h i n e h 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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 魏一隰2 垆川自 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： 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 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 ，简称d s o ) 是现代测试领 域中重要的测量工具，是电子测量中最常用的一种仪器，主要应用于时域测试， 特别适用于观察、测量、记录各种瞬时物理现象，并以图形方式显示其与时间的 关系。示波器直观的显示效果有助于对被测对象深入理解。从物理学家到电视维 修人员，许多行业人员都需要使用示波器，汽车工程师使用示波器来测量发动机 的振动，医生使用示波器测量脑电波等等，示波器的用途是非常广泛的。 示波器的发展经历了从模拟示波器到数字示波器的过程。二十世纪四十年代 是电子示波器兴起的时代，雷达和电视的开发需要性能良好的波形观察工具，泰 克成功开发出带宽i o a h z 的同步示波器，这是近代示波器的基础。五十年代半导 体和电子计算机的问世，促进电子示波器的带宽达到i o o m h z 。六十年代美国、日 本、英国、法国在电子示波器开发方面各有不同的贡献，出现带宽6 g h z 的取样示 波器、带宽4 g h z 的行波示波管、1 g h z 的存储示波管。七十年代模拟示波器达到高 峰，带宽1 g h z 的多功能插件式示波器标志着当时科学技术的高水平。模拟示波器 从此没有更大的进展，开始让位于数字示波器，英国和法国甚至退出示波器市场， 技术以美国领先，中低档产品由日本生产。 二十世纪八十年代的数字示波器处在转型阶段，还有不少地方要改进，美国 的泰克公司和惠普公司都对数字示波器的发展做出了贡献。它们后来停产模拟示 波器，并且只生产性能好的数字示波器。进入九十年代，数字示波器除了提高带 宽到1 g h z 以上，更重要的是它的全面性能超越模拟示波器。出现所谓数字示波器 模拟化的现象，换句话说，尽量吸收模拟示波器的优点，使数字示波器更好用。 之所以出现这种情况，是因为模拟示波器只能观测周期信号。对于非周期单次瞬 变信号，用模拟示波器观测是非常困难的，有时甚至是不可能的。由于瞬态信号 的单次性或非周期性以及波形复杂等特点，决定了对瞬态信号进行测试的基本方 法是无失真地将其捕获、存储，然后显示出来，这也是数字存储示波器的基本设 计思想。由于其数字化的特点，使其与计算机技术联系紧密，因而发展非常迅速； 功能越来越强大，目前已经成为示波器市场上的主流产品，并将逐渐完全取代模 电子科技大学硕士学位论文 拟示波器。相对模拟示波器，数字存储示波器有许多优点，诸如，时间和幅度测 量准确度大大提高，有毛刺、间隔、t v 、漏失、预触发等多种先进的触发方式， 具有波形数据存储记忆功能，具有f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 等多种数学运 算能力。由于数字存储示波器内部有处理器，因而有许多智能特性，可以配备g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 、r s 2 3 2 、u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 、l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) 等多种数字接口，能方便地与外界进行数据通信，众多 优点使得数字存储示波器在电子测量领域获得了广泛的应用。 从二十世纪八十年代初模拟示波器开始向数字化转型开始，至今已发展了二 十多年，数字示波器在几个关键性能指标上都已经有了很大的提高，目前市场上 已经出现了带宽2 0 g h z ，实时采样率高达5 0 g s s 的泰克公司d p 0 7 0 0 0 0 系列数字荧 光示波器，以及带宽1 5 g h z ，实时采样率达4 0 g s s 的t d s 6 0 0 0 系列数字存储示波 器，此外另一家示波器生产商安捷伦科技也推出了带宽1 3 g h z ，实时采样率4 0 g s s 的8 0 0 0 0 b i n f i n i i u m 系列高性能示波器。 国内对数字存储示波器的研制始于二十世纪八十年代初，限于当时的条件， 其采样速率值很低，在九十年代国外数字存储示波器迅猛发展的背景下，我国的 一些研究所、院校开始投入更多的经费致力于数字存储示波器的研发。目前在与 国外测试测量巨头的博弈中，示波器领域的本土企业已取得一些突破。比如作为 中国仪器界崛起的生力军的代表普源精电，于2 0 0 6 年初推出一款性能卓著的紧凑 型数字存储示波器d s l 0 0 0 系列。d s l 0 0 0 系列在性能上不仅全面超过国外同类产品， 打破了在这个领域国外产品统天下的局面，同时又在原产品上大胆创新，使 d s l 0 0 0 系列成为为数不多体积小巧、功能强大、性能卓越的低端数字示波器，弥 补了国内空白。但是与国外相比，国内示波器的采样率仍然不高，实时带宽也不 够，所以在很多测试领域中的应用受到了限制。 面对国内这种情况，“2 g s a s ，i g h z 带宽数字存储示波器 研究课题应运而生， 本论文“数字存储示波器专用显示控制电路与多功能触发电路设计研究”正是该 课题的一部分研究内容。 1 2 课题研究内容和设计目标 本论文“数字存储示波器专用显示控制电路与多功能触发电路设计研究”是 “2 g s a s ，1 g h z 带宽数字存储示波器研究项目的一部分，主要研究内容包含两 部分： 2 第一章绪论 ( 1 ) 数字示波器专用显示控制电路的设计； ( 2 ) 数字存储示波器多功能触发电路的设计。 在第一部分内容中，本人负责设计和调试满足示波器要求的显示控制电路， 其主要技术指标有： ( 1 ) 支持8 4 寸高亮度t f t - l c d 、6 4 0 * 4 8 0 分辨率显示屏； ( 2 ) 支持多页面分层显示模式； ( 3 ) 拥有专用波形数据通道，满足2 0 0 0 波形秒的波形更新速度要求。 在第二部分内容中，本人负责设计基于有限状态机的多功能触发电路的设计 和调试，该触发电路的设计目标为： ( 1 ) 支持2 2 5 5 个状态的状态触发； ( 2 ) 支持单个脉冲宽度最小为8 n s ； ( 3 ) 支持用户根据波形状况自己设定边沿( 上升沿和下降沿) 阀值； ( 4 ) 允许用户根据波形状况自主设置误差范围； ( 5 ) 支持用户选择触发源输入方式。 电子科技大学硕士学位论文 第二章数字存储示波器专用显示控制电路设计 本章主要介绍基于f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的数字存储示波 器( d s o ) 专用显示控制电路的设计，详细讨论了该控制电路内部的各模块的设计， 开发工具使用美国a l t e r a 公司的q u a r t u si i 软件，使用原理图设计和硬件描述 语言v h d l ( v e r y h i g h s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 相结合的方法来完成设计。 2 1d s o 显示控制电路系统结构 d s o 的显示控制电路系统结构如图2 - i 所示，图中虚线框内部的几个模块都是 在f p g a 内设计完成的，f p g a 芯片采用的是a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列芯片 e p l c 4 f 3 2 4 c 8 。 广。 i i i i i i i - i i i 图2 - i 显示控制电路系统结构 从图中可以看出，该电路内部共有四个模块：l c d 控制器、数据处理模块、双 口r a m 控制器1 和双口r a m 控制器2 。 其中l c d 控制器直接和l c d 显示屏相连，其作用是为l c d 显示屏提供工作所 4 第二章数字存储示波器专用显示控制电路设计 需要的各种时序信号，包括行、场同步以及数据使能等等。 双口r a m 控制器1 和双口r a m 控制器2 的主要作用是接收来自d s p 的控制信 号以及对双口r a m 进行读、写操作，双口r a m 作为显存，这两个控制器也可以叫 做显存控制模块，按照d s p 和f p g a 的两种不同的接口方式才将控制器分成控制器 1 和控制器2 ，控制器l 对应的是异步端口连接方式，而控制器2 则对应着 p p i ( p a r a ll e lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 的连接方式。 数据处理模块的作用是对从显存中读出的数据经过一定的处理以后再将其输 出至l c d ，包括对四个页面的操作方式和数据位数的扩展。 整个系统的工作流程为：d s p 将数据和一些控制信号送到f p g a 内，由f p g a 内 部的双口r a m 控制器将数据写入显存，然后再将显存的数据读回经过一些处理， 最后通过l c d 控制器将数据送至l c d 显示屏。 该控制电路主要要求实现以下几个指标： 1 支持多页面分层显示模式： 2 支持6 4 0 * 4 8 0 分辨率、1 8 位色的t f t l c d 显示屏； 3 拥有专用波形数据通道，满足2 0 0 0 波形秒的波形刷新率。 在设计过程中，为了能够实现上述几项指标，提出了相应的设计方案： ( 1 ) d s p 采用两种传输数据的方式； a 采用异步端口方式传输更新速度要求不高的菜单等数据； 在f p g a 内部对应于该模式的控制器为双口r a m 控制器1 ，其功能是在该模式 下对双口r a m 进行读写等操作，在这种模式下，数据、地址、读写使能等信号全 部由d s p 给出，相当于d s p 直接对双口r a m 进行操作。 b 采用p p i ( p a r a lle lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 端口传输更新速度较高的波形 数据。 在f p g a 内部对应于该模式的控制器为双口i 控制器2 ，它的功能是在该模 式下对双口r a m 进行读写等操作，在这种模式下，d s p 只输出数据，而双口r a m 的 地址、使能等控制信号要f p g a 来负责产生，因此该控制器又可以分为控制信号产 生模块、数据写模块、波形数据处理模块等几部分。 ( 2 ) 在f p g a 内设计一个数据处理模块，用以控制多页面的分层显示模式； 数据处理模块是将从r a m 读出的数据经过一定的处理方式输出至l c d ，其中处 理方式包括覆盖和透明两种，覆盖是各页面按优先级不同相互覆盖，透明是将各 页面做或运算或者与运算。 ( 3 ) 在f p g a 内设计l c d 控制器。 电子科技大学硕士学位论文 l c d 控制器用于根据d s p 送出的时钟信号来产生l c d 所需的时钟、行、场同步 以及数据使能信号，将图像数据按特定的时序输出至l c d 。 下面几节将详细说明各个模块的功能、设计思路、方法以及仿真等情况。 2 2l c d 控制器的设计 l c d 控制器的主要作用是产生l c d 所需的时序，将图像数据按特定的时序输出。 本设计针对三菱公司的a a 0 8 4 v c 0 3 液晶屏，在f p g a 内部采用原理图和v h d l 相结 合的方式来设计满足该屏的控制器。 2 2 1l c d 简介 随着液晶技术的日益成熟，液晶显示屏( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，简称l c d ) 在测试领域中得到了越来越广泛的应用，如今大部分新型示波器都采用了液晶显 示屏。在各种l c d 的产品中，t f t ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) l c d 因其体积薄、重量 轻、画面质量优异、功耗低、寿命长、数字化和无辐射等优点，在各种大、中、 小尺寸的产品上广泛得到应用，几乎涵盖了当今信息社会的主要电子产品，如电 视、电脑( 台式和笔记本) 、手机、p d a 、g p s 、车载显示、仪器仪表、公共显示和 虚幻显示等领域，这是任何一种平板显示和c r t 所无法企及的。 本课题中液晶显示屏采用了日本三菱公司的8 4 寸高亮度t f t l c d ，型号为 从0 8 4 v c 0 3 ，分辨率为6 4 0 * 4 8 0 ，是1 8 位数字彩色屏，2 6 万色( 2 6 2 1 4 4 ) ，其中r 、 g 、b 三色各占6 位，所买的显示屏是内部集成了驱动芯片和背光单元的，输入工 作电压为单端3 3 v 【l 。 下面介绍一下该屏的工作时序要求。 2 2 2 时序要求 根据产品数据手册，其水平时序要求和垂直时序要求分别如图2 2 和图2 3 所示，图中d c l k 为像素时钟，h d 为行同步信号，v d 为场同步信号，d e n a 为数据 使能信号，另外还有一些其他信号，详细的定义和时序要求如表2 1 所示【1 7 】。 6 第二章数字存储示波器专用显示控制电路设计 d c 【 倒勿 ( r ，g ，b ) d e n a h d e v e r t i c a lt i m i n gc h a r t l 磷e d 髫r a d 秘媳 图2 - 2a a 0 8 4 v c 0 3 水平时序图 图2 - 3a a 0 8 4 v c 0 3 垂直时序图 7 电子科技大学硕士学位论文 表2 - 1a a 0 8 4 v c 0 3 信号定义 信号名称 表示方法最小值典型值最大值单位 频率 七u ( 2 02 53 0m h z 周期t c u ( 3 3 34 05 0n s d c l k 低脉宽 t w c l 1 0n s 高脉宽t w c a 1 0 i l s 建立时间t s s 5n s d a t a 保持时间t d h 5n s 行有效时间t s a 6 4 06 4 06 4 0 t c l k 行消隐前肩t | 肿 01 6 t c l k 行消隐后肩 t r m p 1 91 4 4 t c l k d e n a 场有效时间t v a 4 8 04 8 04 8 0 龟 场消隐前肩 t 甲 11 0 t h 场消隐后肩t v b p 83 5 t h 频率 f h 2 73 1 53 8k h z h d 周期t h 2 6 33 1 73 7 ou s 低脉宽t w r m 59 6 t c l k 频率f v 5 56 07 0h z v d 周期t v 1 4 21 6 71 8 2m s 低脉宽t w v l 22 t h l c d 控制器以d c l k ( 像素时钟，2 5 m h z ，采用表2 - 1 中的典型值) 为时钟基准，每 个数据以该时钟驱动进入l c d 。图2 - 2 中，d a t a 为1 8 位数据信号( 其中三种色彩 比例为r ：g ：b = 6 ：6 ：6 ) ，d e n a 为数据使能信号，高电平使能，其有效宽度t h a 为6 4 0 个d c l k 。h d 为水平同步信号，低电平有效，其有效宽度t w il l 为9 6 个d c l k 。一行 6 4 0 个数据扫描完毕之后，控制器将驱动h d 有效( 低电平，宽度9 6 个d c l k ) ，但 是还要在h d 有效之前插入t h f p ( h o r i z o n t a lf r o n tp o r c h ) 行消隐前肩为1 6 个 d c l k ，有效之后插入t h b p ( h o r iz o n t a lb a c kp o r c h ) 行消隐后肩为1 4 4 个d c l k ， 然后再开始下一行的扫描，这样行扫描信号就相当于对d c l k 进行8 0 0 分频，其频 率值为： 2 5 z 8 0 0 = 3 1 5 k h z 。( 2 一1 ) 垂直扫描时序与水平扫描时序类似，该时序以h d 为时钟基准，其中，v d 为垂 直同步信号( 帧同步) ，低电平有效。每扫描完一帧( 4 8 0 行) ，控制器将驱动v d 有效 ( 低电平) ，有效宽度t w v l 为2 个h d 。同样，在v d 有效之前插入t v f p ( v e r t i c a lf r o n t 8 第二章数字存储示波器专用显示控制电路设计 p o r c h ) 场消隐前肩为1 0 个h d ，有效之后插入t v b p ( v e r t i c a lb a c kp o r c h ) 场消隐 后肩为3 5 个h d ，这样场扫描信号就相当于对h d 进行5 2 5 分频，其频率值为 3 1 5 k h z 5 2 5 = 6 0 h z 。 ( 2 - 2 ) 综上所述，l c d 的每显示行共包括8 0 0 个点，其中6 4 0 点为有效显示区，1 6 0 点为行消隐期，行消隐期又包括行同步时间( 宽度为9 6 个d c l k ) 、行消隐前肩( 宽 度为1 6 个d c l k ) 和行消隐后肩( 宽度为4 8 个d c l k ) ，行同步信号h d 每行有一个 脉冲，该脉冲的低电平宽度为9 6 个d c l k 。 l c d 的每场包括5 2 5 行，其中4 8 0 行为有效显示行，4 5 行为场消隐期，场消 隐期又包括场同步时间( 宽度为2 个h d ) 、场消隐前肩( 宽度为1 0 个h d ) 和场消 隐后肩( 宽度为3 3 个h d ) ，场同步信号v d 每场有一个脉冲，该脉冲的低电平宽度 为2 行( 2 个h d ) 。 复合消隐信号( 即数据使能信号d e n a ) 是行消隐信号和场消隐信号的逻辑与， 在有效显示期复合消隐信号为高电平，在非显示区域它是低电平。 这样，l c d 的各个信号以及它们之间的关系就确定了，下面就开始介绍l c d 控 制器的设计方法。 2 2 3 设计方案 2 2 3 1 状态机简介 明确了时序要求之后，该l c d 控制器采用状态机来实现，所谓状态机就是指 定系统的所有可能的状态及状态间跳转的条件，然后设一个初始状态输入给这台 机器，机器就会自动运转，或最后处于终止状态，或在某一个状态不断循环，而 有限状态机是指该状态机的状态是有限个。 状态机可分为m o o r e ( 摩尔) 型和m e a l y ( 米利) 型。m o o r e 型状态机的输出仅 仅是当前状态的函数，并且仅仅在时钟跳变时发生变化，m e a l y 型状态机的输出是 当前状态和当前输入的函数，任何输入信号的变化都可能引起输出信号的变化【j j 。 m o o r e ( 摩尔) 有限状态机和m e a l y ( 米利) 有限状态机的模块结构分别如图2 4 和图2 - 5 所示【1 6 】。 9 电子科技大学硕士学位论文 图2 4m o o r e ( 摩尔) 有限状态机结构图 图2 - 5m e a l y ( 米利) 有限状态机结构图 使用v h d l 语言设计有限状态机的方法通常为： 1 分析控制器设计指标，建立系统算法模型图，即状态转移图； 2 分析被控对象的时序状态，确定有限状态机各个状态及输入、输出条件； 3 应用v h d l 完成状态机的描述。 一般来说，采用有限状态机描述具有如下优点： 1 可以采用不同的编码风格，在描述状态机时，设计者常采用的编码有二进 制、格雷码、o n e - h o t 编码，可以根据自己的需要在综合的时候确定，而不需要修 改源文件中的编码格式以及状态机的描述； 2 可以实现状态的最小化； 3 设计灵活，可以将控制单元与数据单元分离开。 2 2 3 2 技术方案 l c d 控制器的输入时钟信号均是由外部提供的，要么通过c p u 提供，要么由晶 振直接提供，在大多数情况下，都是通过c p u 来提供的，在本课题的设计中也不 例外，所使用的2 5 m 的像素时钟通过d s p 接出。 根据数据手册的时序要求，我们可以将l c d 的工作过程分成几个不同的阶段， 1 0 第二章数字存储示波器专用显示控制电路设计 分别是数据显示阶段、消隐前肩阶段、行( 场) 同步阶段、消隐后肩阶段。由于 我们采用了状态机来设计该l c d 控制器，那么我们就可以将l c d 在工作过程中的 不同阶段定义为状态机的不同的状态，将工作过程中从一个阶段进入另一个阶段 的前提定义为状态机在不同状态之间跳转的条件，那么根据水平时序和垂直时序 的不同要求，我们可以设计两个状态机来完成，分别定义为行同步产生状态机和 场同步产生状态机。 无论是行同步产生状态机还是场同步产生状态机，根据l c d 的工作阶段，它 们的状态总数都为4 ，我们将每个状态分别定义为显示状态、消隐前肩状态、同步 状态、消隐后肩状态，此外还要根据状态之间的跳转条件定义两个计数器，分别 为行计数器h、场计数器v 。 这样，_cn控t制器就包括行计cn数tlcd器h _ c n t 、场计数器v _ c n t 、行同步产生状态 机hs t a t e 和场同步产生状态机v s t a t e 。其中，行计数器是8 0 0 进制计数器，场 计数器是5 2 5 进制计数器，行同步状态机h _ s t a t e 有行显示状态h _ v i d e o 、行消隐 前肩状态h _ f r o n t 、行同步状态h _ s y n c 、行消隐后肩状态h b a c k 四种状态，它根 据行计数器的计数值来进行状态转换，场同步状态机v有场显示状态_state v _ v i d e o 、场消隐前肩状态v _ f r o n t 、场同步状态v _ s y n c 、场消隐后肩状态v _ b a c k 四种状态，它根据场计数器的计数值来进行状态翻转，这两个状态机的状态转移 图分别如图2 - 6 和图2 - 7 所示。 h c n t - - 6 3 9h c n t = 6 5 5 h c n t = 7 51 图2 6 行同步产生状态机状态转移图 电子科技大学硕士学位论文 v c n t = 4 7 9v c n t = 4 8 9、箩4 9 1 图2 - 7 场同步产生状态机状态转移图 图2 - 6 为行同步产生状态机状态转移情况，系统加电后状态机首先进入行显 示状态h _ v i d e o ，行计数器h _ c n t 对2 5 m h z 的点时钟进行计数，当h c n t 的值到达 6 3 9 时，状态机进入行消隐前肩h f r o n t 状态，当h _ c n t 的值为6 5 5 时，状态机进 入行同步状态h _ s y n c ，当h _ c n t 的计数值为7 5 1 时，状态机即进入行消隐后肩 h _ b a c k 状，当h _ c n t 计数值为7 9 9 时状态机翻转进入h _ v i d e o 状态，同时，行计 数器的同步复位信号变为高电平，使行计数器复位。 在行同步产生状态机处于行消隐前肩h _ f r o n t 、行同步状态h _ s y n c 、行消隐 后肩h b a c k 这几个状态时，行消隐信号h b 输出低电平，行同步信号h d 输出高电 平；在行显示状态h _ v i d e o 时，行消隐信号h b 输出高电平，行同步信号h d 输出 低电平。 图2 - 7 为场同步产生状态机状态转移情况，系统加电后状态机首先进入场显 示状态v _ v i d e o ，场计数器v _ c n t 对行同步信号h d 计数，这点与行同步产生状态 机有所不同，行同步产生状态机的计数基准是点时钟d c l k 。场计数器的计数值到 达4 7 9 时，场状态机翻转，进入场消隐前肩v _ f r o n t 状态，当v _ c n t 的值为4 8 9 时，状态机v _ s t a t e 进入场同步状态v _ s y n c ，当v c n t 的值为4 9 1 时，状态机 v _ s t a t e 进入场消隐后肩v b a c k 状态，当v _ c n t 的值为5 2 4 时，状态机v s t a t e 又翻转进入v _ v i d e o 状态，同时输出高电平到场计数器v _ c n t 的同步清零端使其 清零，以便开始下一次的计数。 当场状态机v _ s t a t e 为v _ f r o n t 、v _ s y n c 、v _ b a c k 三种状态时，场消隐信号 v b 输出低电平，场同步信号v d 输出高电平；状态机处于场显示状态v _ v i d e o 时， 1 2 第二章数字存储示波器专用显示控制电路设计 场消隐信号v b 输出为高，场同步信号v d 输出为低。 行消隐信号h b 和场消隐信号v b 的逻辑与即为数据使能信号d e n a 。 这样，l c d 所需的几个关键信号就全部具备了，行同步信号h d 是行同步产生 状态机h _ s t a t e 的输出h d ，场同步信号、，d 为场同步产生状态机v s t a t e 的输出 v d ，而数据使能信号为行消隐信号h b 和场消隐信号、b 的逻辑与。 2 2 4 电路仿真 电路设计好以后就可以利用q u a r t u si i 自带的仿真工具进行仿真，看是否电 路的设计达到了目的，仿真的方式有两种：时序仿真和功能仿真。 功能仿真是最基本的仿真验证，是设计布线和配置之前的仿真，因此又叫布 局前仿真，它的作用是看代码或者电路的功能是否正确，是否能达到预先的设想， 它只能仿真设计中的逻辑功能。通过功能仿真，可以验证整个系统的逻辑功能是 否正确。用户可以通过观看仿真的波形来对系统的逻辑功能进行分析，并可以以 此为依据，对设计进行必要的修改和完善。 而时序仿真是在将设计适配到芯片后的仿真验证方式，因此又叫布局后仿真。 时序仿真在严格的仿真时间模型下，模拟芯片的实际运作，仿真时间模型将最基 本的门级时延计算在内，从而可有效地分析出设计中的竞争和冒险。经过时序仿 真验证后的设计基本上与实际电路是一致的，所以可以说如果时序仿真达到了预 期设想，那么把这个电路下到板子里以后，基本上就可以按照要求运行了。 我们要做的是时序仿真，为了更加清晰的看到信号之间的关系，所以将仿真 结果用不同的比例反映到三幅图中。其中图2 - 8 为仿真结果总体图，图2 - 9 和图 2 一1 0 分别为局部放大后的垂直时序图和水平时序图。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 础 re s “ 船 蝴 5 _ s 1 5 1 pm s 【64 1 7 8 口m s 刚li n i i i i i i i i i i i i川堋删洲| | j j | j j j | | 删| l | j | 刚0 l i i i i i i l u l 0 l i i i i i i i i i i l u j j | | ii 哪 i 图2 - 8 时序仿真结果总图 1 1c 5 “阳 l j8 ： i 5 ：。1 i ：1e 蝴l ；雌 i i i i i l l i 】i j i i i | | i j i | j l i ：| | f n n r ? 一】- ： i - l n 00u0 川 图2 - 9 局部放大后的垂直时序 。 一眦川蛐蚴 第二章数字存储示波器专用显示控制电路设计 i 眦 r e s e l 珊 姗 2 2 5 仿真结果分析 图2 1 0 局部放大后的水平时序 对仿真结果进行定量的分析可以得到，在将像素时钟d l c k ( 2 5 姗z ) 设置好的 情况下，得到的h d 的周期为3 1 5 k h z ，v d 的周期为6 0 h z ，d e n a 的周期为6 0 h z ， 满足l c d 手册中对时序的要求。 首先看一下垂直时序，在如图2 - 9 中，数字标示部分中的1 0 代表场消隐前 肩，2 表示v d 的有效宽度，3 3 表示场消隐后肩减去v d 的有效宽度以后的数，即 场消隐后肩为3 5 ，这样，经控制器产生的d e n a 信号和l c d 手册中对d e n a 的要求 完全一致。 然后是水平时序方面，在如图2 1 0 中，数字标示部分中的1 6 代表行消隐前肩， 9 6 表示h i ) 的有效宽度，4 8 表示行消隐后肩减去h d 的有效宽度以后的数，即行 消隐后肩为1 4 4 ，同样，这个数据也和l c d 手册中的完全一致。 2 3 双口r a m 控制器的设计 由于d s p 采用两种传输方式，所以根据不同的方式分别设计了两个双口r a m 控制器，下面将分别介绍两个控制器的设计。 2 3 1 双口r a m 简介 在本课题中，双口r a m 采用的是i n t e g r a t e dd e v i c et e c h n o l o g y ( i d t ) 公司 1 5 电子科技大学硕士学位论文 的7 0 t 3 5 3 9 m 高速同步静态存储器，容量为5 1 2 k 3 6 b i t ，内核工作电压为2 5 v ， 通过引脚o p t 的控制，可以设置1 个或者2 个端口分别工作在2 5 v 或者3 3 v 。 i d t 7 0 t 3 5 3 9 m 的存储阵列采用双口存储单元，允许两个端口同时读写，控制信 号、数据信号以及地址信号输入端都带有寄存器，这就保证了最小的建立时间和 保持时间，同时也允许系统工作在更高的时钟频率上【1 3 1 。 i d t 7 0 t 3 5 3 9 m 拥有自动省电功能，通过c e o 和c e l 的控制，允许每个端口的片 上电路可以进入功耗很低的待机模式。同时，它也可以很方便的扩展，几片存储 器相连一起使用【1 3 】。 i d t 7 0 t 3 5 3 9 m 具有自动冲突检测功能，方便用户及时发现操作中出现的两个端 口出现读写冲突的问题。一般情况下，当两个端口同时对同一个地址进行操作的 时候可能会出现冲突的问题。假如两个端口同时进行读操作的话，就不存在冲突 的问题，但是假如是一个端口执行读操作另一个端口执行写操作，或者是两个端 口同时执行写操作的话，冲突就出现了。而该存储器提供了自动监测冲突的功能， 避免误操作的发生【1 3 】。 i d t 7 0 t 3 5 3 9 m 还有一个非常突出的特点就是提供了字节使能功能。存储器的 3 6 个比特位被分为4 个字节，每个字节占9 个比特位，每一个端口的每个字节都 具有一个使能信号，可以方便的对同一个存储单元的每一个字节进行单独的读写 操作【1 3 】。 此外，用户还可以选择使用它提供的中断模式和睡眠模式。当工作在中断模 式时，存储器的最高位和次高位作为信箱使用，不使用中断模式的时候，这两个 地址仍然作为存储单元使用。另外，每个端口都有一个z z 引脚，用户可以通过控 制该引脚决定存储器工作于正常模式还是睡眠模式1 1 3 】。 2 3 2 控制器1 的设计 在本课题中，对双口r a m 的使用是固定将左端口作为写端口、右端口作为读 端口，因此在操作过程中数据的写入仅仅由左端口来完成，而右端口只负责读出 数据。 双口r a m 控制器1 对应于d s p 的异步端口传输方式，在这种模式下，数据、 地址、控制信息全部由d s p 给出，f p g a 只需要将d s p 送来的信号送至双口r a m ， 然后将双口r a m 读出的数据送至数据处理模块即可，因此一个读控制模块、一个 写控制模块就足够了，写控制模块用于将d s p 送来的各种信息送至双口r a m ，读控 1 6 第二章数字存储示波器专用显示控制电路设计 制模块是将d s p 写入的数据读出，然后再送至数据处理模块。 2 3 2 1 写模块的设计 写模块最为简单，只需要将输入信号转接至双口r a m 即可，设计好的模块如 图2 - 1 1 所示，信号定义如表2 - 2 所示。 w r i t e； c l o c kc l o c k l a l l8 一o 】a l 18 0 d i s pc sc e o ln 岛v 、，enrw 丌l a o eno e ln a 日e 0nb e l 0n a 日e 1n日e l ln a b e 2nb e l 2n a b e 3n 日e l 3n -。d 15 一0 】d a t a 1 5 0 】 _ i n t rnd l s pi n t c o l lnc n 丁e n ln r e p e a l n a d s ln ： f ， i n s t 3； 一一一一一一一。一。 一； 图2 - 1 1r a m 控制器1 写控制模块 1 7 电子科技大学硕士学位论文 表2 2r a m 控制器1 写控制模块信号定义 信号名 属性 备注 c l o c k输入时钟 a 1 8 o 】 输入地址 d i s pc s输入片选 a 吧n输入 写使能，低电平有效 a o en输入输出使能，低电平有效 a b e x _ n 输入 字节使能，低电平有效 d 1 5 0 】 输入数据 i n t rn输入 中断信号( 双口r a m 返回) c o l ln 输入冲突信号，低电平有效( 双口r a m 返回) c l o c k l输出双口r a m 左端口时钟 a l l l8 0 】 输出双口r a m 左端口地址 c e o ln输出双口r a m 左端口片选 rw n l 输出双口r a m 左端口读写使能 o e l