（测试计量技术及仪器专业论文）低功耗技术在手持式示波器中的应用研究.pdf

， j j 。，o k 1 一 、一 ，- 叮 + i i k 1 卜一 摘要 摘要 本文是基于1 g s p s 手持式示波器项目，由于其是便携式产品并且要达到高指 标设计要求，使得整机功耗问题突出，有必要进行低功耗研究和设计。 本文通过分析整个系统的功耗构成，在硬件功耗、软件功耗、电源效率和系 统动态功耗等方面实际应用和研究了一些低功耗技术，完成了硬件系统的低功耗 设计，电源模块的设计以及软件低功耗和系统动态低功耗的一些策略方案研究， 并对系统电源和功耗进行了验证和分析，提出了进一步优化功耗的思路。 论文设计研究的具体内容包括： 硬件低功耗设计。研究了硬件低功耗策略，实现了硬件低功耗设计，包括硬 件系统关键芯片的选型，各子模块的低功耗设计方案以及系统散热降低功耗的措 施。 电源模块设计。详细介绍了电池管理电路的设计和高效率低噪声的电压转换 电路的设计。电池管理电路实现了电池电量的有效管理，电压转换电路保障了系 统稳定高效地工作。 软件低功耗研究。本部分主要针对软件运行功耗提出了优化措施，包括在项 层软件和底层软件采取的低功耗策略。 动态功耗管理。动态功耗管理是在硬件和软件低功耗设计的基础上，根据系 统的工作情况和状态，采取硬件和软件两者相结合控制的低功耗策略。通过功耗 管理可以实现整机低功耗设计要求。 论文最后还给出了系统电源和功耗的分析验证，提出了进一步优化系统功耗 的设计方法和措施。 ，- 勾r 、i关键词：低功耗，手持式示波器，电源设计，功耗管理 - ， p ， 1 卜 y ，_ 乍 、i a b s t r a ( 了r a bs t r a c t t h i st h e s i si sb a s e do nt h ep r o j e c to f1g s p sh a n d h e l do s c i l l o s c o p e i t sp o r t a b i l i t y a n dh i g h d e s i g nr e q u i r e m e n t sr e s u l ti nh i 曲p o w e rc o n s u m p t i o n t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt ou n d e r g oar e s e a r c ha n dd e s i g no nl o w - p o w e rc o n s u m p t i o n b ym e a n so fa n a l y z i n gt h ep o w e rc o n s u m p t i o ns t r u c t u r eo f t h ee n t i r es y s t e m ，t h i s p a p e rh a sr e s e a r c h e da n da p p l i e ds o m el o w - p o w e rc o n s u m p t i o nt e c h n o l o g i e si nt e r m s o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m s ，p o w e re f f i c i e n c ya n dd y n a m i cp o w e rc o n s u m p t i o n o ft h es y s t e m i th a sc a r r i e do u tl o w p o w e rd e s i g no ft h eh a r d w a r es y s t e ma n dp o w e r m o d u l e sd e s i g n ，p u tf o r w a r ds t r a t e g i e sa n dp r o g r a m sf o rl o w - p o w e rc o n s u m p t i o no f s o f t w a r ea n ds y s t e md y n a m i c s ， v e r i f i e da n da n a l y z e dt h e p o w e rs o u r c e a n d c o n s u m p t i o no ft h es y s t e m ，a n dp r e s e n t e dt h ei d e ao ff u r t h e ro p t i m i z i n gp o w e r c o n s u m p t i o n t h et h e s i sd e s i g na n dr e s e a r c ha r ec a r r i e do u ta sf o l l o w s ： l o w - p o w e rd e s i g no fh a r d w a r e t h i s s e c t i o nh a sf o c u s e do nl o w - p o w e r c o n s u m p t i o ns t r a t e g i e sa n dd e s i g no fh a r d w a r e ，i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no fk e yc h i p si n h a r d w a r es y s t e m ，t h el o w - p o w e rd e s i g no fe a c hs u b - m o d u l e sa n dm e a s u r e sf o rs y s t e m c o o l i n ga n dp o w e rc o n s u m p t i o nr e d u c t i o n p o w e rm o d u l ed e s i g n t h i ss e c t i o nh a sd e t a i l e dt h ed e s i g no fb a t t e r ym a n a g e m e n t c i r c u i t ，w h i c he n s u r e se f f i c i e n tm a n a g e m e n to fb a t t e r y , a n dt h ed e s i g no fv o l t a g e c o n v e r s i o nc i r c u i tw i t hl o wn o i s ea n dh i 曲e f f i c i e n c y , w h i c he n s u r e ss t a b l ea n d e f f i c i e n ts y s t e mo p e r a t i o n l o wp o w e rc o n s u m p t i o no fs o f t w a r e i nr e g a r dt os o f t w a r ec o n s u m p t i o n ，t h i sp a r t h a s p r o p o s e d s o m eo p t i m i z a t i o n m e a s u r e s ，i n c l u d i n gl o w - p o w e rc o n s u m p t i o n s t r a t e g i e sa d o p t e di nt h et o ps o f t w a r ea n dt h eu n d e r l y i n gs o f t w a r e d y n a m i cp o w e rc o n s u m p t i o nm a n a g e m e n t b a s e do nl o w p o w e rd e s i g no ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，d y n a m i cp o w e rc o n s u m p t i o nm a n a g e m e n ti st oi n t e g r a t e l o w - p o w e rs t r a t e g i e sf o rb o t hh a r d w a r ea n ds 0 0 y w a r e ，a c c o r d i n gt ot h es t a t u so ft h e s y s t e m p o w e rc o n s u m p t i o nm a n a g e m e n tc a l lm e e tl o w p o w e rc o n s u m p t i o nd e s i g n r e q u i r e m e n t sf o r t h em a c h i n e i i a b s t r a c t i nt h ee n d ，t h ep a p e rh a sp r e s e n t e dt h ea n a l y s i sa n dv e r i f i c a t i o no ft h ep o w e r e f f i c i e n c ya n dp o w e rc o n s u m p t i o no ft h es y s t e m i na d d i t i o n ，i th a sp r o p o s e dt h e d e s i g nm e t h o da n dm e a s u r e st of u r t h e ro p t i m i z ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h es y s t e m k e y w o r d s ：l o wp o w e r , h a n d h e l do s c i l l o s c o p e s ，p o w e rd e s i g n ，p o w e rc o n s u m p t i o n m a n a g e m e n t i i i j p l 一 _ 目录 目录 第一章前言1 1 1 示波表概述1 1 2 低功耗技术及其优点2 1 3 课题主要来源及选题意义3 1 4 课题研究的主要任务和目标4 第二章手持式示波器系统方案及功耗分析5 2 1 系统总体设计5 2 1 1 数据采集系统5 2 1 2c p u 系统6 2 1 3 外围设备6 2 1 4 电源系统7 2 2 系统功耗分析8 第三章硬件低功耗设计1 0 3 1 系统关键芯片选型1 0 3 1 1 可控增益器件的选择1 0 3 1 2a d c 的选择1 1 3 1 3f p g a 的选择1 3 3 1 4d s p 的选择15 3 2 数据采集系统的低功耗设计1 6 3 2 1 模拟通道的低功耗设计1 6 3 2 2 数据采样的低功耗设计1 9 3 2 3f p g a 的低功耗设计2 3 3 3 处理器的低功耗设计2 6 3 4 外围设备的低功耗设计2 7 3 4 1l c d 电路的低功耗设计2 7 3 4 2 键盘和万用表的低功耗设计2 8 3 5 降低不定功耗及散热2 9 第四章电源模块设计3 1 i v 目录 4 1 电池管理电路设计31 4 1 1 电池充电管理电路设计3 1 4 1 2 电池电量检测电路设计3 3 4 1 3 开关机电路设计3 6 4 2 电源分配系统及区域管理3 8 4 3 电压转换电路设计。：4 0 4 3 1 电源完整性分析4 0 4 3 2 电压转换电路设计4 3 第五章软件低功耗设计5 3 5 1 软件系统的低功耗管理5 3 5 1 1 上层软件的组织和编写5 3 5 1 2 底层软件的调用5 5 5 2 编译优化5 6 5 2 1 减少冗余代码和操作5 6 5 2 2 优化代码和操作5 7 5 3 总体协调的低功耗设计5 7 第六章系统动态功耗管理5 9 6 1 系统动态工作的功耗策略5 9 6 2 系统不同工作状态的功耗管理6 0 6 3 系统不同运行模式的功耗管理6 2 第七章系统电源与功耗测试验证6 4 7 1 电源验证6 4 7 1 1 电源纹波一6 4 7 1 2 电源效率6 9 7 2 系统功耗测试与对比分析7 0 第八章结束语7 4 至炙谢7 6 参考文献一7 7 攻硕期间的研究成果。8 0 v j p l o 第一章前言 1 1 示波表概述 示波器作为一种时域测量仪器，用来进行电信号的测量，形象直观的描绘出 信号幅度在时间轴上变化的波形曲线，并且能够对信号波形和各种参数进行分析、 比较和计算，是一种电信号的综合测试仪器，其在国防、通信、计算机、工业自 动化等测试领域扮演着举足轻重的角色【1 】【2 】。 示波器在其发展初期以模拟示波器为主，直到1 9 7 8 年出现了首台数字存储示 波器( d s o ) 【2 】，示波器的发展进入转型的数字示波器时代。与模拟示波器相比， d s o 具有先进的触发和自动测量功能，并且能够存储捕获的信号以便于后续处 理。进入九十年代，数字示波器的性能全面超越模拟示波器的性能。除了带宽和 取样率的提高，数字示波器的更新率( 波形捕获率) 、信号处理能力和屏幕的显示 效果都全面超越了模拟示波器的水平，其间也衍生出数字荧光示波器( d p o ) 、手 持式示波器、基于p c 的虚拟示波器、混合信号示波器等各场合、多功能的综合 测试仪器。 手持式示波器是在数字存储示波器基础上发展起来的一种满足在野外或工厂 车间进行现场检测、故障诊断的便携式仪表。手持式示波器体积小，重量轻，携 带方便，具有数字示波器的基本功能，可脱离交流电源采用电池供电的方式工作； 同时，它还兼具数字万用表的功能，可以测量电阻电容值、二极管压降通断、 交直流的电压电流值等【3 】【4 】。出于这些特点，手持式示波表在现场检测、日常维 修以及在各种综合测试场合中如鱼得水，在示波器的大家族中有其特殊的重要地 位。 在手持式示波表领域，目前常见的国外品牌包括美国的福禄克( f l u k e ) 和安 捷伦( a g i l e n t ) 以及泰克( t e k t r o n i x ) 、法国c a ( c h a u v i na m o u x ) 公司的m e t r i x 品牌、比利时的威利文( v e l l e m a n ) 等，国内品牌有成都优利德、厦门利利普 ( o w o n ) 、成都五行、郑州中健、珠海伊万等【5 1 。其中美国福禄克作为手持式数 字示波表测量领域的行业龙头，其速度、性能和分析能力的强大，代表着当今该 领域的最高水平。国内对手持式示波器的研究起步晚，技术积累不够，主要着重 中低端产品的开发。令人欣喜的是，自从成都五行研制出首款国产数字示波表以 电子科技大学硕士学位论文 来，通过一系列技术合作和创新，国产示波表的发展有了长足的进步，国内厂家 树立了自身的品牌效应。目前国内手持式示波器性能最高的要属优利德科技成都 有限公司研制生产的u t d l 0 0 0 系列手持式数字存储示波器，其带宽达到了 1 0 0 m h z ，采样率为5 0 0 m s p s 。 1 2 低功耗技术及其优点 在便携式领域，功耗是众所公认的推动市场增长的三大动力之一。低功耗设 计是便携式电子产品和绿色电子产品的基本要求，也是当今各类电子系统普遍追 求的。目前低功耗技术已有许多成熟的技术，在硬件低功耗设计中，针对器件级、 结构级、系统级有很多优化策略，比如晶体管、逻辑器件的选择，状态机编码和 流水线的改进，动态电压和频率管理等等；软件低功耗设计主要从驱动层和应用 层考虑，比如编译优化、算法优化、程序模块的合理调度等技术。对于这些低功 耗技术，在高级层次的设计对降低功耗的程度更大，复杂度也越高。甚至有研究 表明，从操作系统层来降低功耗比从硬件层更有效【6 】，这些都促使人们对功耗做 深入研究。电子系统在保持原有性能状态的情况下进行低功耗设计，并不会增加 过多的产品设计成本，相反，能给产品设计带来不少好处。 ( 1 ) 环保节能高效 当今世界能源危机越来越严重，世界各国对此都很重视，采取了各种节能措 施，例如美国在2 0 0 3 年出台了“能源部能源战略计划 ，把“提高能源利用率 上升到“能源安全战略”的高度，并提出四大能源安全战略目标，计划在2 0 0 5 年至2 0 1 0 年间提供2 0 0 亿美元发展能源技术；国际金融危机之后，欧盟委员会公 告称，欧盟委员会已制定了一项发展“环保型经济 的中期规划，欧盟打算用5 年的时间初步形成“绿色能源”、“绿色电器”、“绿色建筑”、“绿色交通”和“绿 色城市”等产业的系统化和集约化，为欧盟的发展提供持久的动力；2 0 0 9 年1 2 月召开的哥本哈根世界气候大会被视为全人类联合遏制全球变暖和实现低碳经济 的一次重要峰会；近期，欧盟通过了一项新的家电更高能效等级标准，电冰箱、 冰柜、电视机、洗衣机和集中供暖循环器在原能源标签的基础上引入节能性能高 于现有等级的三个新等级，并首次对电视机制定最低能效标准，等等。节约能源 提高利用率已成为全球可持续发展的首要目标，低功耗设计正是基于此目标而提 出来的。 ( 2 ) 体积更小，成本更低 2 j p l 、| 第一章前言 在有些特殊的场合，无法提供交流电源为装置供电，此时必须使用电池供电； 即使那些可使用交流电源供电的产品，也需要有交流变换成直流的电路，相应的 增加了产品的体积与重量。从这两方面来看，电池供电可以使产品的体积和重量 都大大减小，也是今后产品的趋判7 】。进行低功耗设计后，系统集成化程度更高， 并且系统的发热量少了，减少了散热装置的使用，降低了散热设计要求，不仅提 高了产品的使用寿命和延长了电池的工作时间，还使产品的体积更小，成本更低。 ( 3 ) 系统更稳定 产品的可靠性、稳定性和产品的功耗紧密相关。首先在元器件级，随着功耗 的增加，集成芯片的温度上升到一定程度会引发芯片故障，比如电学参数漂移、 电迁移等等。温度每升高1 度，器件出故障的概率就会提高2 倍【8 】 9 】【l o 】。所以， 降低功耗对提高芯片工作的可靠性有重要影响。其次在系统级，整个地球空间磁 场充斥着高科技高频率的电子产品带来的电磁信号，电磁环境非常恶劣，随之带 来的是信号间串扰、电源间串扰等e m c 和e m i 问题。电池直接供电和低功耗设 计能给系统提供一些抗干扰方法，可帮助解决这些问题【10 1 。 1 3 课题主要来源及选题意义 当前和未来的一段时间内，便携式产品的设计师将面临一个巨大的挑战 全球的消费者对便携式产品的需求贪得无厌，他们希望产品的降格更低，电池更 耐用，功能更丰富并且具有特色，尺寸更小，这些都推动着低功耗设计技术需求 的增长【1 1 1 。对系统进行低功耗设计并没有可套用的固定设计步骤，但是可遵循一 些规律。对于手持式数字示波器，除了要求有数字存储示波器的基本功能外，还 必须具有小体积、电池供电工作且有较长的工作时间以及数字万用表等特点和功 能。而这些要求所带来的是手持示波器的功耗问题。低功耗设计对于示波表增加 功能模块、提高技术指标、延长工作时间等有重要意义。 电子科技大学测试技术及仪器研究所是国内知名的仪器设备研究中心，在 2 0 0 7 年与优利德公司合作成立了优利德电子科大测试仪器研发中心。本课题是应 研发中心1 g s p s 手持式示波器设计项目孕育产生的，由于该项目指标较高，整机 功耗非常大，要进行低功耗设计和研究，这是该课题产生的直接原因。另外一个 原因是，在之前的5 0 0 m h z 示波表以及更低采样率的示波表中，已做过一些初步 的低功耗设计和研究，为了完善整个系列示波表的设计，也需要进行系统完整的 3 电子科技大学硕士学位论文 低功耗设计和研究。出于以上两点原因，本课题孕育而生，具有很强的针对性和 挑战性。 1 4 课题研究的主要任务和目标 本设计研究来源于手持式数字示波表及数字存储示波器设计的相关科研项 目，要求在1 g s p s 高采样率的手持式示波表项目中，对整机功耗作出系统的评估， 采取合适的方案策略进行低功耗设计。课题研究的任务主要包括： ( 1 ) 电源模块的设计：从整机低功耗的角度出发，设计高效率、小体积、多 路电压输出的电源电路，电池充电和电量检测电路。 ( 2 ) 硬件电路系统低功耗设计：从整机低功耗的角度出发，研究了信号调理、 取样和处理电路的功耗，设计了低功耗的模拟通道，触发通道，提出了高速a d c 、 f p g a 和d s p 的功耗设计策略；并对外围设备的功耗进行了策略设计。 ( 3 ) 软件的低功耗设计：从整机低功耗的角度出发，对软件程序代码进行精 简和规范，协调各软件模块的调用顺序，使得软件系统程序满足手持式示波器低 功耗设计要求。 ( 4 ) 整机动态工作时的低功耗设计：从整机低功耗的角度出发，当人机交互 手持式示波器处在不同的工作状态，对系统采取诸如分时分区供电，采样结束即 关a d 等一系列措施，实现整机低功耗设计要求。 本论文由手持式示波器的整体系统方案展开，深入分析了系统功耗构成，着 重介绍了功耗设计策略以及在整机工作时的策略应用。后续章节将围绕这个重点 展开论述。 根据国内外示波表的发展现状，提出本项目的主要技术指标有：( 1 ) 模拟通 道带宽：2 0 0 m h z ；( 2 ) 最大实时采样率：1 g s s ，等效采样率：2 5 g s s ；( 3 ) 上 升时间：s 1 8 n s ；( 4 ) 单通道最大存储深度：7 5 kb y t e ；( 5 ) 最大记录长度：2 x 5 1 2 k ；( 6 ) 垂直灵敏度范围：5 i i l v 5 0 v d i v ；( 7 ) 扫描时基范围：2 n s 5 0 s d i v ； 在功耗指标方面，行业龙头福禄克公司目前最高端的f 1 9 x c 系列示波表采用 可充电镍氢电池组，标称电压7 2 v ，容量3 5 0 0 m a h ，整机最大功耗保持在6 w 的 范围内，连续工作时间长达4 小时。安捷伦u 1 6 0 0 a 系列示波表采用的是 7 2 v 4 5 0 0 m a h 的可充电镍氢电池，工作时间也达到了4 个小时。针对国外领先的 示波表功耗指标，本设计提出的功耗要求是：整机最大功耗降低至8 w 以内，采 用7 4 v 4 4 0 0 m a h 可充电锂电池供电，系统工作时间不低于4 小时。 4 0 p l v 电子科技大学硕士学位论文 a d c 采样部分和f p g a 数字电路部分。模拟通道部分包括信号调理通道、触发电 路和随机脉冲展宽电路。其中，信号调理通道是对输入信号进行调理以满足a d c 对信号输入的最大范围；触发电路是用于产生一个触发脉冲，保证输入信号在某 一确定的点上稳定并显示：脉冲展宽电路是为了随机采样而设计的将微小时间段 展宽成可测时间的电路。数据采集系统采集信号的质量与模拟通道的性能有直接 关系，好的通道是信号重现的前提【1 2 】。a d c 采样电路是将调理好的模拟信号转化 为数字信号，它确定了整个数据采集系统的采样率和精度。f p g a 电路部分对a d c 送来的数据进行调理和缓存，并且在其内部设计出很多数字模块来实现系统功能 要求。它是整个数据采集系统的核心，其内部设计的模块包括数据调理模块、时 基模块、峰值检测模块、触发模块、通道和万用表控制模块、数据缓存模块等。 2 1 2c p u 系统 c p u 作为整个系统的大脑，控制着系统各部分协调工作。本设计选用d s p ， 利用其强大的数据处理能力，对采集数据进行处理、运算和显示，同时对系统各 部分进行控制，完成软件菜单界面的显示。d s p 外围的存储芯片包括一片铁电存 储器、一片s d r a m 和一片f l a s h 。铁电存储器用来保存当前数据信息状态，如 时基、菜单、垂直灵敏度等设置，以便下次开机时快速读取；s d r a m 是用来存 放从f i f o 读取过来的原始数据以及临时数据和中间结果；f l a s h 是非易失性存 储器，易擦除重写并且功耗低，用来储存d s p 程序代码、b o o t l o a d e r 程序、开机 启动界面、字库、设置保存和回调等信息。d s p 可与它们无缝连接。 2 1 3 外围设备 2 1 3 1 键盘控制电路 键盘控制电路与数据采集系统相对独立，其作为系统组成的一部分，用于实 现人机交互。示波表的各种功能是通过键盘选择操作来实现的，包括控制信号采 集，数据测量和计算，波形存储，波形显示等主要示波表功能。 本系统的键盘实际上是由单片机独立控制，它通过按键查询并获得唯一键码， 获得键码后存放到缓冲区并发送。单片机通信的串行输出口直接连接到d s p 的 u a r t 口，如果u a r t 口检测到数据则会产生中断，d s p 随即读取键码。 6 k 叫 第二章手持式示波器系统方案及功耗构成 2 1 3 2 液晶显示电路 液晶显示器较之传统c r t 显示器，具有功耗小、驱动电压低、成本低廉、显 示信息量大、彩色显示、对人体无害以及可靠性高等明显优点。本设计选用的是 日本京瓷( k y r o c e r a ) 公司产的t c g 0 5 7 q v l b a 薄型5 7 寸t f t 液晶显示屏，它 有3 2 0 * 2 4 0 的点阵，3 3 v 的供电电压，2 5 v 背光电压，点时钟典型值为6 3 m h z ， 最高为7 m h z 。它具有很高的分辨率，对比度也可调，功耗低等特点，其显示控 制时序在f p g a 内生成，采用p p i 方式将数据发送给l c d 进行显示。 2 1 3 3 万用表电路 数字万用表( d m m ) 是电子测量的基本工具之一，作为示波表系统组成的一 部分，增加了示波表的测试能力和丰富了应用环境。数字万用表具有显示直观、 分辨率强、准确度高、测试功能全面、省电、小体积等特点，目前手持式数字万 用表主流产品显示位数是三位半和四位半的。本系统为了集成万用表功能，考虑 到数字万用表的成本、体积和控制复杂度，专门设计了一种数字万用表功能模块。 该模块以万用表专用集成芯片作为主体，加上适当的整流、控制接口等外围电路， 实现万用表电压、二极管等基本测量功能。测量类型由用户根据菜单选择，d s p 芯片根据用户的选择给万用表芯片发送指令执行测量，测量数据结果由串行数据 输出接口( r s 2 3 2 ) 送到f p g a 进行串并转化，再由d s p 读取后进行处理和显示。 2 1 3 4u s b 接口电路 本系统设计了u s b 功能作为示波表和外界进行数据通信的一种方式。考虑到 体积和功耗的问题，本系统只设计了u s b 的h o s t 功能，即当示波表有u 盘等 外设接入时识别并进行数据通信。本系统选用s l 8 1 1 来实现h o s t 功能。 2 1 4 电源系统 在手持式示波器中，电源系统的设计是一个重点问题。它与台式示波器的电 源部分不同，不但要设计出电池管理电路，还要考虑高效率、低噪声的多路电压 转换电路，以便实现整机体积小、功耗低的特点。本系统的电源模块设计包括以 下三方面的内容： ( 1 ) 电池管理电路设计：包括电池充电、电量检测、开关机电路； ( 2 ) 多路电压转换电路设计：考虑高效率、低纹波等因素设计电压转换电路； ( 3 ) 电源分配和区域管理设计。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2 系统功耗分析 根据上节的介绍可以大致了解示波表系统的总体设计框架，实际上，系统总 体功耗是由硬件功耗和软件功耗两部分构成的。硬件功耗指器件实时工作时产生 的功耗，包括电源功耗、数据采集系统功耗、处理器系统功耗、外围设备显示及 接i z l 系统功耗。软件功耗主要指软件程序运行时所消耗的功耗，包括上层软件功 耗和底层软件功耗。硬件功耗和软件功耗的具体组成如图2 2 。 图2 - 2 示波表系统功耗构成框图 对于系统总体功耗，同样是1 g s p s 采样率、2 0 0 m h z 带宽的台式示波器，其 系统各部分功耗大致情况如表2 1 。 表2 1 台式示波器功耗 各子模块模拟通道a d cf p g ad s p 系统外围设备电源模块 功耗3 w1 6 w1 9 w1 5 w2 3 w2 3 w 从表2 1 中可以看出，台式示波器的整机功耗超过1 2 w 。其中数据采集系统 包括的模拟通道、a d c 采样系统和f p g a 数字系统三个部分的功耗都很大，处理 器系统的功耗也比较大，在进行相应示波表设计时，需要着重考虑如何降低这两 大部分功耗。对于数据采集系统部分的功耗，主要是硬件设计工作时的功耗较大， 应该在硬件上采取多种有效的低功耗策略来降低这部分功耗。而对于处理器系统 功耗，主要是软件运行过程中产生的动态功耗较大，应该主要在软件层面上采取 合适的低功耗策略来降低这部分功耗。当然，也不能忽视电源功耗和外围设备功 耗。电源功耗主要考虑的是高效率的电源转换电路设计，使得在电源芯片上损失 8 j 心 第二章手持式示波器系统方案及功耗构成 的功耗尽可能少。外围设备的功耗主要是从硬件控制出发，采取最有效的一两种 低功耗策略针对性地降低这部分功耗。 在对系统功耗构成情况分析之后，需要根据功耗的分布情况对系统进行低功 耗设计。显然，对于硬件和软件两部分功耗，进行针对性的低功耗设计是必须的， 也是本文重点研究的两个方面。然而，低功耗的设计不仅仅局限于这两部分，当 系统动态工作时，带来的动态功耗往往比在软硬件层次上的功耗要大。对系统在 各工作状态下采取一些低功耗设计策略，是一个系统成为低功耗系统的重要环节。 因此，对一个系统进行低功耗设计，包括硬件低功耗设计、软件低功耗设计和动 态工作时低功耗设计三方面，如图2 3 。 图2 - 3 示波表系统低功耗设计框图 本系统的低功耗设计首先从硬件系统出发，运用一些低功耗技术构建出一个 低功耗的硬件系统，包括数据采集系统低功耗策略实现，处理器低功耗策略实现 和一些外围设备的低功耗实现；然后依托硬件平台进行软件低功耗设计；当进行 完两者低功耗设计时，再进行两者协调的低功耗设计，即系统动态工作的低功耗 设计。 9 电子科技大学硕士学位论文 第三章硬件低功耗设计 一个完整的系统包括硬件系统部分和软件系统部分。硬件和软件的关系就像 在哲学上存在着物质和意识的关系一样，硬件“决定 软件，软件对硬件具有“能 动”作用。硬件作为系统运行的物质基础，对整个系统进行低功耗设计时，必须 首先要有低功耗的硬件支持，才能为设计低功耗的系统打下坚实的基础 6 】【9 1 。目 前硬件的低功耗设计在器件级、结构级、系统级上有了不少成熟的策略和技术， 比如采用低功耗的门和电路、减少芯片内部的逻辑器件翻转等动作、动态电源管 理技术、降频降压技术、适时关闭冗余部件技术。其中，后三者属于系统级高层 次的低功耗技术，通过软硬件的协调来完成。本文重点从系统级的角度上进行低 功耗设计。 在手持式示波表设计中，硬件系统的核心数据采集系统在系统功耗上占 有最大的比重，要进行深入详细的分析、研究和设计。此外，外围设备的功耗占 有一定比例，进行低功耗设计时也是不能忽略的。低功耗示波表设计将在已有成 熟的低功耗设计技术的基础上，结合示波表的系统结构和特点，首先对硬件进行 低功耗设计。硬件低功耗设计首先要保证系统核心芯片的功耗尽可能低或者功耗 可以控制，其次对于每个子系统或子模块采取一些低功耗技术来实现模块低功耗， 这是最关键的。本章以下各节将作详细阐述。 3 1 系统关键芯片选型 从示波表系统框架和功耗构成可以看出，系统在信号调理、a d c 采样、f p g a 数据缓存以及d s p 处理这几部分的功耗非常大，因此，对这几部分的芯片选型至 关重要。 3 1 1 可控增益器件的选择 信号调理通道主要由耦合选择、无源衰减网络、阻抗变换电路、可控增益调 节电路、a d c 驱动电路以及通道控制电路六部分组成【1 3 1 。在系统动态工作时，可 控增益调节电路部分的功耗会很大。因此，选择一款合适的、满足通道带宽的可 控增益器件对模拟通道整体设计和降低功耗有很大意义。 1 0 第三章硬件低功耗设计 可控增益器件可选择可控增益放大器或者可控增益衰减器。可控增益放大器 主要有压控和数控可编程两类增益放大器。压控增益放大器具有很好的精度和连 续性，但是考虑到它在增益较大时工作性能会明显下降，并且控制起来不方便， 因此，数控增益放大器成为一种选择。数控增益放大器对增益的控制不连续，但 是通过后级a d c 内部增益校准可以弥补这一缺陷。 然而，相对于增益放大器而言，增益衰减器与放大器组合的电路功耗要低一 些。本系统要求设计出2 0 0 m h z 带宽的信号垂直调理通道，l m h 6 5 1 8 作为一款 数控v g a ，p e 4 3 0 2 作为一款d s a ，给出部分指标： ( 1 ) l m h 6 5 1 8 的增益范围可从1 1 6 d b - - 3 8 8 d b ，增益步进精度为2 d b ，3 d b 带宽为9 0 0 m h z ，输入噪声为0 9 8 n v 4 h z ，s p i 控制方式，功耗为0 7 5 w ； ( 2 ) p e 4 3 0 2 的增益范围可从0 5 d b - 一3 1 5 d b ，增益步进精度为0 5 d b ，d c 带宽为4 g h z ，支持并行和串行两种控制方式，功耗很低。 从上面可以看出，选择l m h 6 5 1 8 增益范围大，但增益控制不够精细，功耗 也比较大；而选择p e 4 3 0 2 ，不仅控制增益精度高，而且功耗很低，适合于本系统 低功耗设计要求。 3 1 2a d c 的选择 a d c 是将模拟信号转化为数字信号，作为整个数据采集系统的核心，带来的 功耗是比较大的。对于本系统中a d c 的选择，要综合权衡各指标和因素。 首先，采样速率和分辨率是选择一款a d c 的两个核心指标。采样速率是指 系统每秒钟能采集处理的样本数，它要满足奈奎斯特采样定理，即采样频率至少 两倍于被采信号的最高频率，才能在采样之后完整的保留被采信号的信息。一般 来说，一个好的设计的采样频率为被采信号频率的5 到l o 倍。分辨率是指数采系 统中对被采信号可以分辨的最小变化量( l s b ) ，通常用d b 来代表分辨率。在实 际中，往往考虑更多的是有效位数( e n o b ) 和信噪失真比( s i n a d ) ，它们的关 系是：e n o b = ( s i n a d 1 7 6 ) 6 0 2 。 其次，a d c 结构和其数字接口类型也是重点考虑的因素。目前a d c 结构类 型主要有快闪式、逐次逼近型、折叠内插式、流水线型、连续时间a ( c t s d ) 型等【1 4 1 。其中，快闪式a d c 有最高的转换速度，只需要一个时钟周期，是高速 中低精度a d c 的首选。但是随着分辨率的提高，芯片面积和电路功耗会呈指数 增长。折叠插值式a d c 是快闪式a d c 的变种，可以大幅减少比较器和前置放大 电子科技大学硕士学位论文 器数目，有助于降低功耗。流水线型a d c 可以实现高速和高精度，并且功耗比 快闪式a d c 低，体积也小，目前在基于r f 等高速数据采集系统中有着广泛的应 用。相比较流水线型a d c ，近年来出现的基于c t s d 技术的a d c 具有更多优势， 其速度更高、功耗更低、易于驱动、内部时钟可调，当前已渗透入一些注重低功 耗的领域。虽然目前c t s d 型a d c 的采样率还较低，但在未来会渗透到通信、 测试测量等领域。就当前情况而言，要设计高速甚至超高速的数据采集系统( 本 系统采样率为i g s p s ) ，例如采样率为5 0 0 m s p s 的系统，快闪式和折迭插值式 a d c 是我们所要关注的。而在较高速数据采集系统中，例如采样率为1 0 m s p s - - 2 5 0 m s p s 的系统，可以考虑选择流水线型或者c t s d 型a d c ，它们在功耗方面 更具优势。 a d c 的数字接口主要有三线( s p i ) ，双线( 1 2 c ) ，并行接口等，其中双线接 口管脚少，但数据传输率慢；三线串行接口简单且传输速度高；并行接口逻辑控 制简单并且有很高的吞吐量，但是占用很多管脚。作为高速a d c 来说，一般都 支持s p i 方式或者并行接口方式。 再次，a d c 工作的功耗也成为选择a d c 要关注的方面。能否提供的较低的 工作电压，能否可调时钟频率，成为a d c 自身功耗的重要参考。 本系统要求设计2 0 0 m h z 带宽，1 g s p s 最大实时采样率，结合前面分析的各 种因素，在表3 1 中给出了四款1 g s p s 采样率a d c 的部分指标，从功耗的角度 出发，综合平衡各参数指标，a t m e l 公司的a t 8 4 a d 0 0 1 和n s 公司的 a d c 0 8 d 1 0 0 0 型a d c 是本系统设计需要重点考虑的。其中后者的各项参数指标 均优于前者，并且a d c 休眠时的控制方式是：后者是逻辑接口直接控制，前者 是s p i 串行码控制，需要额外设计数字电路模块，后者比前者更节省功耗些，因 此，n s 的这款a d c 是设计时的首选。然而考虑到p c b 布板以及系统的继承性 和延续性，最终选用丽看用十本糸统甲。 表3 1 四款1 g s p s 采样率a d c 部分参数指标 。 公司 a r m 匣ln st im a x i m 一 型号 陬8 4 d 0 0 1 a d c 0 8 d 1 0 0 0a d $ 5 4 0 0 m 匕1 0 4 结构类型折叠内插式 折叠内插式流水线型快闪式 采样率 1 g s p sl g s p sl g s p s 1 g s p s 分辨率 8 b i t8 b i t 1 2 b i t 8 b i t 输入带宽 1 5 g h z1 7 g h z 2 1 g h z2 2 g h z s n r ( d b ) 4 2 d b4 7 d b5 9 1 d b 4 7 0 d b s f d r ( d b ) 5 4 d b5 5 d b 7 5 d b5 2 3 d b 1 2 第三章硬件低功耗设计 e n o b ( b i t s ) 6 8 b i t7 4 b i t9 3 7 b i t7 5 5 b i t s 矾a d ( c t b ) 4 3 d b4 6 d b5 8 2 d b4 6 2 d b i n l ( ：j ：l s b ) 0 5o 320 2 5 d n l ( + l s b ) o 2 5 o 1 5 o 70 2 5 供电电压 3 3 v ，2 2 5 v1 - 9 v5 v ，3 - 3 v5 v ，3 3 v 输入范围5 0 0 m v p p8 7 0 m v p p1 5 2 , - - 。2 v p p5 0 0 m v p p 通道数 22 1 1 l s ，1 ：1 或1 ：l v d s ，1 ：】或】： l v - d s ，1 ：2 输出差分p e c l ，1 ：2 输出方式 2