（电路与系统专业论文）基于USB20的虚拟数字存储示波器设计及其实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 虚拟仪器( 简称v i ) 是电子测量技术与计算机技术深层次结合的、具有很好 发展前景的新一类电子仪器，目前已经在科学技术的各个领域得到广泛应用。本 文详细介绍了基于u s b 2 0 接口的虚拟数字存储示波器的设计实现，包括硬件电路 的设计仿真、固件代码设计、驱动程序设计以及应用程序的设计等。 在上述工作基础上，作者还从理论分析的角度深入探讨了虚拟仪器的采样技 术，包括实时采样、顺序采样和随机采样，并在新开发的数字存储示波器系统上 对不同采样方式进行了验证比较。 除此之外，本文在分析了现有示波器中触发方式和触发原理的基础上，提出 了负延迟触发和正延迟触发两种新的触发电路设计思路，并利用q u a r t u s l i 仿真软 件进行了时序仿真，在大规模可编程器件f p g a 中进行了验证。结果表明，该设 计充分利用虚拟仪器的数字化优势，解决了模拟示波器中单脉冲信号难以捕捉的 问题。 测试结果表明，该虚拟数字存储示波器的最高采样速率达到8 0 m s p s ，输入信 号的幅度范围为5 v - - 一- 5 v ，板上缓存为单路1 2 8 k 字节，可同时测量两路模拟信号， 前端带宽1 0 0 m h z ，并具备强大的数据处理功能。 关键词：虚拟仪器u s b 接口采样技术数字化触发 a b s t r a c t 2 a b s t r a c t v t r t u a li n s t r u m e n t ( v if o rs h o a ) i san e wk i n do f e l e c t r o n i ci n s t r u m e n tw i t he l e c t r o n i c m e a s u r et e c h n o l o g yd e e p l yc o m b i n e dw i t hc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di nag o o d d e v e l o p e df o r e g r o u n d , a n di sw i d e l yu s e di ne v e r yf i e l do fs c i e n c et e c h n o l o g y t h e r e a l i z a t i o no fv i r t u a l d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e o g d s o ) b a s e d o nu s b 2 0i s p r e s e n t e di n d e t a i l i nt h ep a p e r , i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g na n ds i m u l a t i o n , f i r m w a r e d e s i g n ，d r i v e rd e s i g na n da p p l i c a t i o nd e s i g n o nt h eb a s i so f a b o v ew o r k , t h es a m p l i n gt e c h n o l o g yi sd e e p l yd i s c u s s e di nt h ea s p e c t o ft h e o r y , i n c l u d i n gr e a lt i m es a m p l i n g ，s e q u e n t i a ls a m p l i n g ，r a n d o ms a m p l i n g ，a n dt h e d i f f e r e n ts a m p l i n gm o d ei sv a l i d a t e da n dc o m p a r e do nt h en e w l ye x p l o i t e ds y s t e m i na d d i t i o n , o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt r i g g e rm o d ea n dt r i g g e rp r i n c i p l ei nt h e o s c i l l o s c o p ea th a n d ，t h en e wt r i g g e rd e s i g ni d e aa b o u tn e g a t i v ed e l a ya n dp o s i t i v e d e l a yi sp r e s e n t t i m i n gs i m u l a t i o ni sd o n eu s i n gq u a r t u s l i ，a n dv a l i d a t e di nf p g a i t s r e s u l t e dt h a tt h ep r o b l e ma b o u ts i g n a l 、 ，i ms i n g l ep u l s ei su n e a s yt oc a t c hi ss o l v e d , 知1 yu s i n gd i g i t a la d v a n t a g eo f v ii nt h ed e s i g n i t si n d i c a t e d ，t h em a xs a m p l i n gr a t ei su pt o8 0 m s p s ，t h ei n p u tr a n g ei s 一5 v + 5 、 t h eb u f f e ri ss i n g l er o u t e1 2 8 k b y t e so nb o a r d , f o r e p a r tb a n d w i d t hi si o o m h z ，a n d s t r o n gf u n c t i o no nd a t ap r o c e s s k e y w o r d ：v i r t u a li n s t r u m e n t u s bi n t e r f a c e v a m p l i n gt e c h n o l o g yd i g i t a l t r i g g e r 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 聋鲻日期盘：兰：1 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名：垄聿塑 导师签名：盟丝 日期碰：苎：互 日期 弓 、谢 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 随着科学技术突飞猛进的发展，世界已进入新的技术革命时代。作为技术革命 先导的电子技术已渗透到国民经济各个领域中去。电子测量仪器就是采用电子技 术测量电量或非电量的测量仪器。它是电子工业的基础和先行，近来发展极为迅 速，已成为一门独立的学科。并在一定程度上反映国家的科学技术水平。在电子 测量仪器中，示波器所占的地位是相当重要的。示波器已成为一种直观、通用、 精密的测量工具，广泛地应用于工农业生产、科研、军事、教育各个领域中，其 发展速度、销售数量都远远超过其它电子测量仪器。 对测量技术的要求随着科学技术的进步越来越高。传统的电子测量仪器由于功 能单一、体积庞大、价格昂贵，已经很难满足实际工作的需要。集成电路和计算 机技术的快速发展使电子测量仪器逐渐向数字化、智能化方向发展，与传统仪器 相比表现更多的优势：功能更强、处理速度更快、频带更宽、操作更简单、体积 更小、用途更广、可扩展性更好等。 随着微型计算机的普及和性能提高，使得基于p c 平台的虚拟仪器系统应运而 生。利用计算机的强大处理计算功能和内存存储功能来扩展仪器的功能，各种测 试软件层出不穷，不但具有强大的测试分析功能还拥有良好的人机界面，使仪器 易于控制使用且扩展了仪器功能。可以很好地满足科研、教育的需要。从某种意 义上来说，虚拟仪器是现今仪器发展的趋势。 1 1 2 课题的研究意义 当前，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 ) 技术己经成为示波器设 计的主流。d s o 的基本思想是通过先进的采样技术对信号波形数字化，以及大容 量数据存储技术对数字化后的结果进行存储、处理并显示。d s o 在波形的记录、 分析和比较方面，都比传统的模拟示波器有很大的改进。 虚拟数字存储示波器( v i r t u a ld i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ) 是应高校实验室改 革的需要而产生的。它在要求完成测试任务的同时必须具有小体积、低功耗的特 2 基于u s b 2 0 的虚拟数字存储示波器设计及其实现 点，在不损失性能的前提下，对系统的测试集成化提出了要求。 目前业界的数字存储示波器，不但价格昂贵，而且更新太快，因此研制高档 的v d s o 已迫在眉睫。这种产品的优势非常明显，需求旺盛。v d s o 的研究开发 为改变我国电子技术总体相对落后于国外的现状做出贡献，为国民经济的发展做 出贡献。 1 2 虚拟数字存储示波器 1 2 1 虚拟仪器概述 1 9 8 6 年美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p 简称n i ) 推出虚拟仪器 ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) 的概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革。 虚拟仪器是计算机技术和网络技术与仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机 辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术，是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件 资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合。从而开创了“软件即仪器，仪器即软 件”的先河。 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上。由用户设计定义具有虚 拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是 利用计算机显示器模拟传统仪器的控制面板，以多种形式输出检测结果；利用计 算机软件实现信号数据的运算、分析和处理；利用i o 接口设备完成信号的采集、 测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。如图1 1 虚拟仪器测 试系统结构图所示，它支持鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量 仪器。 设 露拟仅器囱扳 - - - - i 电肇臻感嚣卜呻 信 数 蕃 峙 攥 錾医 绒拜 艘净 蘩 动 l 曲i n d o w s c vj 函数 娃 _ h 壤 艘 象电壤技缚嚣l - 理 ， #哆 1 n b # 1 删s 龙v t 平台 电 其他传巷瓣卜_ 傅 i 镶审t 图1 1 虚拟仪器测试系统结构图 虚拟仪器的组成与传统仪器一样，由图1 2 所示的数据采集控制、数据分析处 理和结果显示三部分组成。传统仪器的三个部分均由硬件实现；对于虚拟仪器， 后两部分主要由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化， 设计工作量、复杂性大大减小。 第一章绪论 圆圈圈 搋入式翁据最 教，佑蟹娃壤网络透信 墼扳 6 p 1 b 仪器曛 e o数字藏渡 l j 、 碗毅栲缎赣池 v x l ，俺i 饺嚣 v ”v r 9 2 3 2 仅嚣 缒计分柝文俘i t 0 l s b 纹嚣 虢值5 折 踞澎 ；p 接“ 图1 2 虚拟仪器内部功能划分 1 2 2 示波器的发展及比较 电子测量仪器发展至今，大体可以分为四代：传统通用示波器( 模拟示波器) 、 模拟存储示波器( 记忆示波器) 、数字存储示波器和虚拟数字存储示波器。 第一代模拟示波器：长期以来一直是波形测量的主要工具，它能把抽象的各种 电信号和非电量信号直观地显示在示波管屏幕上，以便对电信号进行精确的定性 和定量分析。这种示波器通常由垂直偏转系统、水平偏转系统和显示电路等部分 组成。但是传统模拟示波器只能用于观察和分析重复的周期性信号，对于慢速信 号，单次或偶尔重复出现的高速信号，是难以观察和分析的。 第二代记忆示波器：利用特殊的示波管存储信号波形，主要处理模拟信号。其 工作原理是利用二次电子发射保留屏幕上已显示的波形，它是将正在显示的波形 直接存储于c r t 荧光屏内。然而它的屏幕显示面积小，存储波形显示对比度差， 信号分辨率低，存储与显示时问不长，而且和所有模拟示波器一样，不便对仪器 进行程序控制、数字信息分析和数字运算处理。 第三代数字存储示波器：自七十年代以来，随着数字电路，大规模集成电路及 微处理器技术的迅速发展，尤其是高速a d 及半导体r a m 的发展，出现了新型 的数字存储示波器。它的工作原理是用a d 变换器把模拟波形转换成数字信号， 然后存储于半导体存储器r a m 中。当需要时，可将r a m 中存储内容调出，通过 相应的d a 变换器再恢复为模拟波形呈现在示波管屏幕上。这类仪器内置微处理 器，既能进行自动测量，又具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，习 惯上称为智能仪器。这是当今示波器的主流产品，但是它的功能块全部都是以硬 件( 或固化软件) 的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。 第四代虚拟数字存储示波器：随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，测试 技术与计算机的深层次结合引起了测试仪器领域的一场新的革命，一种全新的仪 器结构概念导致了新一代仪器虚拟仪器的出现，它是现代计算机技术、通信 4 基于u s b 2 0 的虚拟数字存储示波器设计及其实现 技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是仪器产业发 展的一个重要方向。它的出现使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。 然而随着计算机、通信和微电子技术的不断提高，以及网络时代的到来和信息 化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟数字存储示波器领域中是虚拟数字存储 示波器的发展趋势。 1 3 系统架构及研究内容 1 3 1 系统架构 为了更好的分析系统架构，本文将系统架构分为三部分：系统硬件架构，系统 u s b 架构和系统软件架构，如图1 3 所示。在第二章和第三章里会分别对系统硬 件架构和系统软件架构作出详尽的分析与设计。而作为硬件与软件实现通信功能 的系统u s b 架构会在第二、三章中分别得到相应的分析与设计。 l s 拄虚报数7 秘衣渡嚣 设廓艋 器 氇j ：i s 嘲数据采攫# 糕 成升j 斑守 r 落嚣1r z 裔1r 墨焉一 ，t 动 l 瑚b w m i 臀# ( v f 礤敬 r l 枷i n d 。霄 x v f ￥f f 程 缪 啦喘。 慝h 嚣h 鬓煳一 l s b t 辣帆 i b ”ll 。u ”li o ”l = = = = l c = = 逻鞠连缓- - - 镑邋连接 图i 3 基于u s b 的虚拟数字存储示波器系统架构 1 3 2 研究内容 虚拟数字存储示波器技术涉及很多方面，例如：超高速数据采集与显示技术、 数字化触发技术等。本文将结合具体设计研究以下几项与提高示波器性能密切相 关的关键技术： l 、数据采集卡的模拟前端设计，数字化触发电路的设计 2 、高速数据采集与显示技术的研究 3 、w d m 设备驱动程序设计 第二章系统硬件设计 5 第二章系统硬件设计 本课题依托于高校教学实验改革，利用现有的计算机，建立一套基于计算机的 实验测试系统。本系统着重于信号的采集、显示与分析。使系统具有数字存储示 波器、频率计、频谱分析仪等多种仪表功能的测试系统。 2 1 硬件电路方案设计 基于虚拟仪器和高速数据采集技术实现系统测试功能的方案，系统首要的任务 是设计实现信号的高速采集、传输以及逻辑控制的硬件电路。 2 1 1a d 芯片 对于数据采集系统而言，模数转换器( a d ) 是系统的最关键部件。鉴于本系 统所要测量的信号频率是比较高的，按照采样定理，所需的a d 必须是高速的， 这样的高速采集系统所采集的数据才能比较真实地反映被测信号。但是a i d 器件 的价格与采样速率是成正比关系的，所以在选择a d 时，必须权衡其性能价格比。 另外，信号测量系统要求至少有两路信号通道，能同时进行两路信号的检测，以 便观察、比较两路信号之间的关系。 这就有三种采集方案可供选择，其中之一就是两条通道采用开关切换方式，轮 流输入到单路a d 进行采集。然而这种交替工作方式肯定是要丢掉一部分信息的， 所以就不能达到两路同时采集并准确地观测到信号之间的关系。另一种方式则是 采用双路a d ，两路信号分别对应各自的a d 通道，彼此互不干扰，各自成为一 条采集通道，这就大大减少了信息的丢失。但是双路a d 通常要比单路a d 价格 贵一些。还有一种方式就是采用两个单路a d ，这种方法的实现过程跟双路a d 原理上是一样的。通常情况下，综合以上考虑，在系统成本可承受的前提下，决 定选购一款价格适中的高速a d 芯片弧v 5 5 8 0 。它是单路的8 位并行a d ， 其最高采样率可达8 0 m s p s 。 2 1 2 缓存芯片 在高速的数据采集系统中，当数据的采集速率大于系统与p c 机之间的接口的 最高传送速率时，必须在系统电路中加入存储器作缓存。 6 基于u s b 2 0 的虚拟数字存储示波器设计及其实现 第一种缓存方式是只设计一个存储器，启动一个采集过程存储一组数据在该存 储器中，然后申请系统总线将该存储器内容传入主机内存中，然后再启动一个采 集过程，重复上述操作。这种方式对于需要连续测量信号时，就有可能丢掉其中 的一些信息。 第二种缓存方式是设计两个缓存器，交替使用，称为乒乓结构。其工作过程是： 第一组数据先存入第一存储器，第二组数据采集开始后，第一存储器里的数据传 入主机内存，新采集的数据存入第二存储器。当第三组数据采集开始时，第一存 储器已空，新的数据存入第一存储器，此时第二存储器的数据正向主机内存传送。 只要在两组数据的间隔时间加上一组数据的采集时间内能取完一个存储器数据， 乒乓过程就可以长时间持续下去。这种方式的时序控制复杂而且成本太大，所以 在对于严格连续测量信号时，这种方法是合适的。 结合存储容量、读写速度和功耗等参数，综合以上考虑，在系统成本可承受的 前提下，决定选购一款价格适中的高速s r a m 芯片i s 6 1 c 1 0 2 4 。它是8 位数据， 1 2 8 k 字节，1 2 n s 读写时间的静态随机存取存储器。 2 1 3 接口芯片 要实现基于计算机的虚拟仪器系统，计算机接口的选择至关重要，因为它决定 了硬件设计的规范，与操作系统的通信方式和虚拟仪器的兼容性。 ( 1 ) 总线式 现代p c 机最常用的两种系统总线：i s a 总线和p c i 总线。 i s a 总线出现于8 0 年代，是由i b m 提出的总线标准。i s a 总线的规范实现比 较简单，控制较为方便。然而它的数据传输相对较慢，系统占用率高。在新型p c 系统中，已经不再支持i s a 总线。 p c i 总线已经成为最为流行的p c 总线。p c i 总线的传输速率比i s a 总线高得 多，而且c p u 占用率很小。但是p c i 总线的规范相对比较复杂，时序非常严格， 所以开发难度较大。 ( 2 ) 端口式 除系统总线外，p c 机还提供外接端口与外设连接。主要有串口、并口和现在 广为人知的u s b 口等。 串口( r s 2 3 2 ) 是p c 机的标准配置，用于数据的串行传输。其特点是开发和 应用简单，适合数据传输率要求不高的远距离通信。然而r s 2 3 2 的最大缺点是数 据传输速度缓慢，而且抗共模干扰能力差。 p c 机的并口以前是专门用于连接打印机的端口。因为并口可以提供与外设的 高数据传输率，目前也常用于连接其它设备。目前使用的并口协议有三种类型， 第二章系统硬件设计 7 分别为标准型并口( s p p ) 、增强型并口( e p p ) 和扩展型并口( e c p ) 。并口的功 能是非常强大的，但是还是没有u s b 接口那么灵活方便。 可以看出，系统总线型接口具有最快的传输速率，是较好的连接方式，但由于 是插卡式设备，使用不够方便，同时设备也很容易受到计算机内恶劣的电磁环境 的影响。串口虽然使用方便，但其传输速度无法满足高速数据采集的要求。并口 的速度也是远远不及u s b 2 0 的速度，并且u s b 的即插即用以及可扩展性等的优 点，所以选择u s b 实现对数据的传输控制。 在许多的u s b 芯片中，选用了c y p r e s s 公司推出的带智能u s b 接口的单片机 e z - u s b ，将u s b 接口的控制核心整合到单片机集成电路中。具有强大功能的u s b 内核可以自动完成u s b 协议的转换，大大地简化8 0 5 1 的代码。并且内部微处理 器在标准8 0 5 1 上缩短了执行时间并增加了新的特性。它用内部r a m 存储数据和 程序，使e z - u s b 系统具有软配置的特性。基于e z u s b 芯片可以缩减设计周期 及难度，于是系统选用了芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 。 2 1 4 信号调理 被测信号在进入a d 之前，都必须经过适当的处理，使之符合a d 的要求。 如大信号必须经过适当的衰减，以免因信号幅度过大损坏电路中的元器件及引起 信号的失真。而小信号则需要放大，否则采集后恢复的信号幅度太小，以致无法 正确的观测信号，所以对信号的调理是非常重要的。信号的调理可分为衰减和放 大两部分。 l 、衰减网络 借鉴于传统示波器的衰减网络原理，系统的衰减部分采用了r c 无源衰减网络， 其原理如图2 1 所示。 v i 图2 1 衰减网络原理 衰减器的衰减量为输出电压v 0 与输入电压v i 之比，也等于r 。c 。的并联阻抗 z l 与r 2 c 2 的并联阻抗z 2 的分压比。其中 8 基于u s b 2 0 的虚拟数字存储示波器设计及其实现 z l = 兰1 = 丽r ir 。+ ”j ”、1 。1 1 t o c i r - - zz=忑乃6_oc2=丽r2r4 - 二一1 。j “、2 。2 式( 2 1 ) 式( 2 2 ) 当满足r 。c i = r ：c ：时，z l 、z ：表达式中分母相同，则衰减器的分压比 立：土：坠2 式( 2 3 ) v iz 1 + z 2r l + r 2 这时分压比与频率无关。图2 1 的电容应该计入电路的分布电容，组成衰减器 的电容也可有一定的范围，只要调整到满足式r 。c ，= r ：c ：的关系，分布电容的影 响就可不予考虑，对信号的影响也就比较小。 不同的衰减倍数对应于不同的衰减网络，多个衰减网络通过转换开关就组成了 衰减器。考虑到被测信号的幅度有可能达到几十伏、甚至上百伏，而且必须实现 程控，所以衰减器的转换开关就采用继电器控制，通过控制继电器的关断来转换 到相应的衰减网络。 2 、放大网络 借鉴于模拟电路中放大器的原理，系统的放大部分采用了常规的高性能运算放 大器对小信号进行放大方式，其原理如图2 2 所示。 图2 2 放大网络原理 放大器的放大量为输出电压v o 与输入电压v i 之比，由于v 。= _ v i r 鼬f ，所以放 大量即为罢，只不过是反向放大。其中反馈电阻值r f 为r f l 、陇和r b 的任意 m 组合。可以通过程序控制开关k l 、k 2 、k 3 的关断，改变r f l 、r 亿、r b 的组合 关系，即改变反馈电阻值r f 的大小，从而达到改变放大器的增益的目的。 第二章系统硬件设计 9 考虑到设计的简便以及a d 参考电平、量程范围等因素，可以对运算放大器的 设计作出相应的改变以满足总体设计的要求。只要对采集波形的“零电平”进行 调节，直到其对称的处于a d 的参考电平位置上并且正负向峰值处于a d 量程范围 内，以及根据系统性能要求，选择具有合适的带宽增益积，精度高、噪声小的运 算放大器。 2 2 仪器基本工作原理与组成 虚拟数字存储示波器的基本工作原理方框图如图2 3 所示。该仪器硬件模块由 信号调理电路，模数转换电路、数据缓存电路、u s b 接口电路、f p g a 时序电路 和电源电路等组成。存储和功能逻辑控制部分是虚拟数字存储示波器的核心。 图2 3 虚拟数罕存储不波器原理方框图 当虚拟数字存储示波器处于存储方式工作时，模拟输入信号首先经过前端模拟 调理电路，然后送至模数转换电路使其模拟输入信号“数字化”。数字化包含“取 样”和“量化”两个过程，取样是获得模拟输入信号离散值的过程，而量化则是 使每个取样的离散值变换成二进制数字。在此过程中，包含取样保持电路的模数 转换电路使模拟输入信号在足够的时间内保持稳定，以便变换器完成转换动作， 并可降低模数变换器的孔径时问。当模拟输入信号送至a d 后，它将按照“t d i v ” 开关设定的取样速率进行取样和量化处理，从而得到一串数据流( - - 进制编码信 号) ，并在逻辑电路控制下，将数字信号依次写入随机存取存储器r a m 中或在显 示时从r a m 中读出。r a m 的读写操作受r w 端控制，当r a m 读写控制输出 r w = 0 时，r a m 进行写操作；r w = i 时，r a m 进行读操作。r a m 地址选择器 在r a m 进行写操作时，将写地址计数器输出送作r a m 地址，在读操作时，则将 1 0 基于u s b 2 0 的虚拟数字存储示波器设计及其实现 读地址计数器输出送作r a m 地址。 不管数据以何频率写入r a m ，r a m 中的数据均以一定的速度不断读出传递给 u s b 主机，从而在屏幕上以细密的光点包络重现出模拟输入信号。所显示的每一 个点代表r a m 捕获的一个数据字，点的垂直屏幕位置由r a m 定位的二进制数字 给出，点的水平屏幕位置由r a m 定位的二进制地址给出。显示的点数由三个因素 决定：按数字化速率捕获的输入信号的频率、存储容量、捕获读出r a m 的速度。 这种在屏幕上以光点直接重现的数字交换后的信号，由于取样理论和显示技术的 原因，会产生不同形式的视觉混淆现象。采用不同的内插显示技术可使波形各数 据点连接起来，以便精确地重现模拟输入信号波形，而且还可以改善有效存储带 宽。 经过数字化的波形数据，在u s b 主机控制下，屏幕显示波形的同时，能够数 字显示各种设定值和测量结果，并可对波形数据进行各种运算处理和分析，还可 以将数据存储在硬盘或软盘以供分析或者通过网络进行分析。 2 3f p g a 功能设计 随着电子技术的发展，当前数字系统的设计方式也日益发展。推动该潮流迅猛 发展的引擎就是日趋进步和完善的a s i c 设计技术。目前数字系统的设计可以直接 面向用户需求，根据系统的行为和功能要求，自上至下( t o pd o w n ) 地逐层完成 相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直到生成器件。整个设计过程几乎都可 以用计算机来自动完成，即做到了电子设计自动化( e d a ) 。e d a 的关键技术之一 就是要求用形式化方法来描述数字系统的硬件电路，即要用硬件描述语言来描述 硬件电路。本系统，一贯采用了v h d l 语言( v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 设计和图形化设计相结合的设计原则。 第二章系统硬件设计 图2 4f p g a 内部时序控制与功能设计框图 本系统实现了一个多功能的虚拟数字存储示波器，在设计中应用了目前流行的 大规模可编程技术f p g a ，实现了对功能的数字化设计。如图2 4 所示，f p g a 时序电路模块与其它电路模块通信，是控制硬件工作的中枢。在这一节中将会对 f p g a 内部的采数模块、命令模块、测频模块和触发模块作出详细的分析设计。 2 3 1 采集模块 采集模块是f p g a 时序控制与功能设计中最基础的部分，被采集数据的正确性 直接影响了数据恢复时波形的正确性，即关系到仪器的性能。 图2 5 存储采集方式时序详细框图 存储采集就是从a d 采集的数据经过r a m 存储然后通过u s b 接口芯片传递 给u s b 主机进行处理。这是仪器区别于一般传统示波器的最重要的功能体现。这 基于u s b 2 0 的虚拟数字存储示波器设计及其实现 里通常会选用一款大容量存储的r a m ，以满足仪器的海量存储这个参数的指标。 如图2 5 所示，这部分时序完成了两个主要功能：以与a d 工作的取样时钟相同 的时钟信号对r a m 进行写地址计数，同时将a d 采集得到的数据存入r a m 相应 开辟的空间中；另外，以与u s b 控制器f i f o 工作的最高时钟相同的时钟信号对 r a m 进行读地址计数，同时将r a m 中缓存的数据一一取出传递给f i f o ，然后就 是由u s b 控制器中串行接口引擎s 1 e ( s e r i a l i n t e r f a c e e n g i n e ) 将数据自动打包传 送给u s b 主机。 i f 氆i ( 二n 门r 羽n 门n 门门硐n 扪r 扪 f j ) 器r o i ：h l r l 策l 乳艇；批p 魄l 掰僦* 弱l 附 s l w r 二 厂厂 广广 州。1 二二二二= 二工= e 互二二二二二 二三二 图2 6 同步f i f 0 写时序 如图2 6 所示，考虑到r a m 写进数据的时候是不能发生r a m 读出数据，以 及u s b 控制器的f i f o 在呈现“满”信号有效时，也是不能发生r a m 读出数据等 的情况，否则会发生时序混乱以及丢失数据。 f 譬土馥祷 i ，t l # l 枷，r ，。，j ，。，绷 8 卜# e 暇0 g l 丌n 睢n 拜n n 瓣爨 u 馨哥甏稚馨盯f l f l f h ，f u 恻骶l 彩l l e 琵v t 愀；i j u u u 弭馨疆瀚 卜辩 n b l 剖 u 厂1ni p - n 蝴 o r 门厂1r i uu ju _ _ f j n l - t ，w ；0 匿0 f “翩 l 1nr 门n 门n 霭啊|1 门门门门门门疆一n 鹰 门n 。霸。叠 - _ 0 & l c o m l t 姒 l 蚴啦锋 h 0 一* 碍地址汁敏肄壤弹 d 罨教- r m 席辩。| 一鹫：i i 韪磬i j 3 j 攀毳一 图2 7 存储采集的时序模拟过程 如图2 7 所示，其中w r o e 是f i f o 写输出使能信号，c o u n te n 是r a m 读写地 址计数器的计数使能，c o u n t e l k 是r a m 读写地址计数器的计数时钟，d o u t 3 0 】 是对r a m l 7 位地址总线的简化。 第二章系统硬件设计 2 3 2 命令模块 命令模块在f p g a 时序控制与功能设计中是一个重要部分。用户可以通过执行 仪器面板上的按钮等来发送具体命令，而命令经过命令模块的解析诠释成各种相 应的功能时序来改变硬件工作的条件等。根据命令控制范围不同分为两种命令： 一种是在u s b 设备处于枚举、重枚举状态时，通过缺省端点e p 0 发送的一些请求， 以及正常工作时，通过缺省端点e p o 发送的用户自定义请求；另一种就是在u s b 设备处于正常工作时，通过块传输方式端点来发送的控制命令字。 发送控制命令字形式的命令时，从广义上来讲是发送控制命令字，但是本系统 设计是从狭义的角度去实现相同的功能发送一组相同数据等价于发送一个命 令。这个过程可以理解为是对f i f 0 块端点中的块数据进行读过程。这部分完成的 功能是将u s b 主机发送的命令字通过u s b 控制器中串行接口引擎s i e 将数据自动 解包传送给指定的端点f i f o ，然后通过命令模块将命令数据解析诠释成相应的控 制命令来改变硬件的工作条件。 通过对u s b 主机发送的命令进行锁存分类，如图2 8 所示，模块r da d d r i 就是对锁存的命令数据的高位进行译码，达到将命令分类的目的。 r d _ r d d r i 触； 图2 8 控制命令字锁存分类过程 在系统设计中解析出来的命令可以改变a d 的采样频率、测频的闸门时限、 显示的触发电平等。其中，改变a d 的采样频率就是通过u s b 主机给具有异步置 数端的计数器发送一个数，同时开启计数的过程，靠产生的不同模值来改变a d 采样频率。至于其它功能由于比较复杂，将在这之后独立加以介绍分析。 3 3 3 测频模块 测频模块在f p g a 时序控制与功能设计中是一个重要部分，也是虚拟数字存储 示波器的一项必备功能。测频模块的原理是在相同的闸门时限下，对标准频率和 被测信号频率同时计数，并用不同的标志位分别锁存不同的计数值，然后通过相 1 4 基于u s b 2 0 的虚拟数字存储示波器设计及其实现 应的端点以类似于采集模块的数据传输方式传送给u s b 主机，经过软件处理来显 示结果。 ，- - - - g - - - - - - 一 定闸门僖垮广1 艘凌镭号厂 n 广1 一n 几n 厂 舞聒翘f 】蝣警厂 括准撅率位簟f l n 几几f l n f n f l 一f l n n 几f 1 1 f l n ， t 卜 图2 9 高精度定闸门不连续测频法波形图 如图2 9 所示，本系统采用了高精度定闸门测频法，该测量方法是从多周期同 步法发展而来的一种新型频率测量方法。它的测量分辨率与被测信号频率的大小 无关，仅与闸门时间及标准信号频率有关，即实现了被测频带内的等精度测量。 首先由标频信号分频产生定闸门信号g a t e ，类似多周期同步法将定闸门信号与 被测信号s g f l 同步，产生实际闸门信号n g a t e 。这个同步过程可在f p g a 中设计 一个简单的d 触发器来实现，将定闸门信号g a t e 作为d 触发器的输入端，被测信 号s g f l 作为d 触发器的时钟端就可以达到理想的实际闸门信号n g a t e 。 然后设计分别给标频信号和被测信号计数的两组计数器。将实际闸门信号 n g a t e 的高电平作为这两组计数器的计数使能，在n g a t e 下降沿时，将两组计数 结果锁存，然后在n g a t e 的低电平时开启计数清零信号。 最后，由于需要得到很多组计数器的计数结果，前提是不能混淆而误导软件分 析数据时出现错误结果，于是对计数器设计标志位以此来区分计数过程。 应该说这样已经可以完成功能，并且精度也是很高的。统计性试验结果表明， 这种测频法的精确度达到1 0 一，然而如果说是开发更加精密的仪器或是作为一项 理论技术的研究，那么该测频系统还有进一步提高测量精确度的余地。由图2 9 可 知，这种测频法可能发生多计t l 时间的情况。 图2 1 0 简单级联量化时延法原理图 近几年才受到人们关注的量化时延方法【l 】如图2 1 0 所示，很好地解决了这种测 第二章系统硬件设计 1 5 频法的缺陷。基于量化时延的短时间间隔精确测量方法的基本原理是“串行延迟、 并行计数”，即利用器件本身的延时特性，使信号通过一系列具有相同的、稳定的 时间延迟特性的延时单元。在计算机的控制下对延时单元的状态进行高速采集并 锁存处理。结合上文的高精度定闸门测频法，可以将实际闸门信号n g a t e 的下降 沿设计为图2 1 0 中的开始信号，标频信号间隔t l 时间后的第一个上升沿设计为结 束信号。 当结束信号到来时，对延时单元的状态数据进行采样锁存，即可以得知此时开 始信号已经通过了几个延时单元。根据其所通过的延时单元数目，就可以测量出 待测得时间间隔。 瓦= n 丁 式( 2 4 ) 式( 2 - 4 ) 中：e 为待测的时间间隔，为其通过的延时单元数目，丁为单个 延时单元的延迟时间。 既然是一种量化时间间隔的处理方法，再对量化结果进行计数，那就不可避免 的存在量化误差。当时间间隔的变化量小于一个单位延时单元的延迟时间时，即 小于它的分辨率时，这种变化就可能会测量不出来。当采用量化时延法进行测量 时，只会发生少计一个数的测量误差。这种用级联延时单元的方法进行的时间测 量，精度主要依赖于延迟器件的稳定度及其本身延迟时问的漂移。 使用量化时延法与高精度定闸门法相结合进行测量，在不提高闸门时间与标准 频率的情况下，可以达到更高的测量精度。同时也会使仪器在测频功能上超越其 它同类仪器。 2 3 4 触发模块 触发模块是虚拟数字存储示波器的重要功能电路。在当今的信号测量中，数字 存储示波器( d s o ) 因其多样的触发方式从而得到了广泛的应用。 目前d s o 中触发电路的设计常采用模块与a d 变换器平行，与信号调理通道 直接相连的模拟或半模拟方案，即用电位器构成分压器产生触发电平信号，或用 d a 转换器，将设雹的触发字转换成触发电平信号，然后送到比较器比较：利用 各种开关进行边沿选择，利用电阻电容等构成触发抑释电路。这种方案的优点在 于：触发点设置准确，对满足条件的高速信号不会出现漏触发现象。然而缺点是： 大量分离器件的使用，提高了故障率的发生；改变触发设置依靠机械调节，响应 较慢，以及使用d a 转换器使数字电路部分和模拟电路部分有较多关联，容易将 高速数字电路的噪声带入敏感的模拟电路，增加系统调试的难度。 1 6 基于u s b 2 0 的虚拟数字存储示波器设计及其实现 n 阳q 辩绅 攮勉麓渫埋 1 鲢霞髂蛩广1 辫目f 挣i f 。卜帅笛蝴 缀l 卜一挣l 三到。i ! ：i 塑叫豢l + r r 阳读时钟 1 一_ 叫 嚣卜f i 阳诿e f 钟 煎墨 i 潦零、r 一 墅签垂l 图2 1 1 全数字化触发电路原理框图 在信号的数字化过程中，根据香农采样定理以及考虑不同信号的信息特征，每 周期采样5 1 0 个点，一般能给出足够的信号细节，配合一些最佳拟合的插值算法， 便能得到高保真度的信号波形。而利用高保真度的恢复信号作为系统外触发时的 触发信号同样也能保证系统的精度，这就是触发电路数字化技术的理论依据。如 图2 1 1 所示，系统设计的数字化触发电路【2 】中，采用了数字控制采样数据存储的 方法，其中控制信号、控制流程都数字化。 系统采用异步f i f o ，读写时钟分别进行控制。利用f i f o 的数据采样原理如下： c p u 启动数据采集过程，f i f o 写使能有效，f i f o 写时钟与a d 转换器采样时钟 同步，a d 产生的采样数据写入f i f o ；同时c p u 启动预触发计数器计数，直到预 触发计数器计数值n 达到预设的预触发深度值m 。这段时间内，触发信号是被抑 制的。当f i f o 中写入数据深度等于m 而触发信号还没有来时，使能f i f o 读，并 使f i f o 读时钟与写时钟同步( r c l k = w c l k ) ，以保持f i f o 内的数据始终等于 预触发深度m ，且使f i f o 中所存放的数据总是最新的采样数据。一旦信号越过 触发点，c p u 发出控制信号禁止f i f o 读，f i f o 数据只进不出，直到写满i k 的 数据。此时，f i f o “满”状态信号( f f ) 变为有效。当c p u 检测到f i f o 满信号 有效时，置f i f o 写使能无效，f i f o 中不再写入数据，一次数据采集进程结束。 系统进入数据处理进程，c p u 开始读取f i f o 内的数据并进行处理( 此时f i f o 只 读不写，直至f i f o 被读空，状态“空”变为有效) ，计算信号参数，内插恢复波 形显示。 因此，控制f i f o 的读写与控制a d 采样时钟一样可以实现多种控制功能。下 面详细论述数字化触发电路的多种触发功能的实现原理。 l 、数字化边沿触发脉冲的产生和触发极性选择 一般地，信号上都会叠加一定幅度的噪声。在边沿触发时，如果只简单地设一 第二章系统硬件设计 1 7 个触发电平，噪声有可能使触发电路在设定的电平附近反复触发，系统难以正常 工作。解决方法是利用触发窗。以上升沿触发为例，数字化触发脉冲的产生示意 图如图2 1 2 所示。 魉发黻棒 图2 1 2 数字化边沿触发不惫图 由c p u 设置两个触发字，两者之差等于触发窗口宽度。触发窗口可以根据信 号的情况由软件进行动态设置，当信号光滑，迭加的干扰小，窗口宽度可以设置 的比较小，触发的灵敏度高；当信号和迭加的干扰大，适当调整增大触发窗口宽 度，就可以保证观察到稳定的波形。c p u 将两个触发字写入c p l d 中的两个数字 比较器，对每一个采样值都进行比较，当前后两次采样值越过高低两个触发电平 时，比较器的输出将产生一个跳变。将比较器的输出经边沿选择器处理后送至触 发脉冲发生器产生一个触发脉冲。 触发依极性分为上升沿触发和下