基于FPGA的成型滤波器设计

草鱼草鱼草鱼天津职业技术师范大学草鱼TIANJIN草鱼UNIVERSITY草鱼OF草鱼TECHNOLOGY草鱼AND草鱼EDUCATION草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼毕草鱼业草鱼设草鱼计草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼专草鱼草鱼草鱼草鱼业PORK应用电子技术教育草鱼草鱼班级学号PORK草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼学生姓名PORK草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼指导教师PORK草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼二一草鱼一年草鱼六草鱼月草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼天津职业技术师范大学本科生毕业设计草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼基于FPGA的数字存储示波器的设计草鱼草鱼DESIGN草鱼A草鱼DIGITAL草鱼OSCILLOGRAPH草鱼BASED草鱼ON草鱼FPGA草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼专业班级PORK草鱼草鱼学生姓名PORK草鱼草鱼指导教师PORK草鱼草鱼学草鱼草鱼草鱼草鱼院PORK电子工程学院草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼年草鱼草鱼草鱼草鱼月草鱼草鱼草鱼I摘草鱼草鱼要草鱼本文介绍了一台以FPGA为处理核心的双通道数字存储示波器的设计。草鱼设计中模拟通道采用OPA657为阻抗变换缓冲级，鲤鱼提供1T的输入阻抗，鲤鱼VCA824作为增益控制实现了宽带宽，鲤鱼宽范围输出。草鱼再由THS4500驱动草鱼ADC草鱼ADS831，鲤鱼实现了80MSAMP/S采样率，鲤鱼模拟通道的带宽限制为10MHZ。草鱼数字处理采用SOPC技术，鲤鱼在FPGA内部构建采样FIFO，鲤鱼及数据流触发及分析逻辑，鲤鱼FPGA内建的以NIOSII为核心作为处理核心。草鱼此示波器的单通道存储深度为8KSAMP，鲤鱼波形刷新率为15帧每秒，鲤鱼具有一定的实时性。草鱼操作界面采用TFT240X320显示波形，鲤鱼全触摸控制。草鱼波形移动拉伸还有其他控制都通过触摸滑动触摸屏，鲤鱼带来了不一样的操作感受。草鱼示波器的制作成模块化功能板，鲤鱼分为模拟通道，鲤鱼控制板，鲤鱼数字核心板，鲤鱼显示控制板。草鱼示波器的硬件也成为了一个高速数据采样的开发平台。草鱼草鱼草鱼关键词PORK草鱼示波器；PORKFPGA；PORK增益控制；PORK触发电路；PORK触摸屏草鱼草鱼IIABSTRACT草鱼THIS草鱼PAPER草鱼INTRODUCES草鱼A草鱼FOR草鱼PROCESSING草鱼THE草鱼CORE草鱼WITH草鱼FPGA草鱼DUAL草鱼CHANNEL草鱼DIGITAL草鱼STORAGE草鱼OSCILLOSCOPE草鱼DESIGN草鱼BY草鱼SIMULATING草鱼THE草鱼CHANNEL草鱼OPA657草鱼DESIGN草鱼FOR草鱼IMPEDANCE草鱼TRANSFORMATION草鱼BUFFER草鱼LEVEL,草鱼PROVIDE草鱼THE草鱼INPUT草鱼IMPEDANCE草鱼1T,VCA824草鱼AS草鱼GAIN草鱼CONTROL草鱼REALIZED草鱼BROADBAND草鱼WIDE,草鱼WIDE草鱼RANGE草鱼OUTPUT草鱼BY草鱼THS4500草鱼DRIVE草鱼ADC草鱼ADS831草鱼AGAIN,草鱼REALIZED草鱼80MSAMP/S草鱼SAMPLING草鱼RATE,草鱼SIMULATION草鱼CHANNEL草鱼BANDWIDTH草鱼LIMITATIONS草鱼FOR草鱼10MHZ草鱼DIGITAL草鱼PROCESSING草鱼WITH草鱼THE草鱼SOPC草鱼TECHNOLOGY,草鱼THE草鱼FPGA草鱼INTERNAL草鱼CONSTRUCTION,草鱼AND草鱼DATA草鱼SAMPLING草鱼FIFO草鱼FLOW草鱼TRIGGER草鱼AND草鱼ANALYSIS草鱼OF草鱼LOGIC,草鱼THE草鱼FPGA草鱼BUILTIN草鱼TO草鱼NIOSII草鱼AS草鱼THE草鱼CORE草鱼AS草鱼PROCESSING草鱼CORE草鱼THE草鱼DEPTH草鱼OF草鱼THE草鱼SINGLE草鱼CHANNEL草鱼STORAGE草鱼OSCILLOSCOPE草鱼FOR草鱼8KSAMP,草鱼WAVEFORM草鱼REFRESH草鱼RATE草鱼OF草鱼15草鱼FRAMES草鱼PER草鱼SECOND,草鱼HAS草鱼CERTAIN草鱼REALTIME草鱼BY草鱼TFT240X320草鱼OPERATION草鱼INTERFACE,草鱼THE草鱼TOUCH草鱼DISPLAY草鱼WAVEFORM草鱼CONTROL草鱼WAVEFORM草鱼TENSILE草鱼AND草鱼OTHER草鱼CONTROL草鱼MOVEMENT草鱼BY草鱼TOUCHING草鱼SLIDING草鱼TOUCHSCREEN,草鱼BROUGHT草鱼DIFFERENT草鱼OPERATING草鱼EXPERIENCE草鱼OSCILLOSCOPE草鱼PRODUCTION草鱼INTO草鱼MODULAR草鱼FUNCTION草鱼BOARD,草鱼DIVIDED草鱼INTO草鱼ANALOG草鱼CHANNELS,草鱼CONTROL草鱼PANEL,草鱼DIGITAL草鱼CORE草鱼BOARD,草鱼DISPLAY草鱼PANEL草鱼OSCILLOSCOPE草鱼HARDWARE草鱼ALSO草鱼BECAME草鱼A草鱼HIGHSPEED草鱼DATA草鱼SAMPLING草鱼DEVELOPMENT草鱼PLATFORM草鱼KEY草鱼WORDSPORKOSCILLOSCOPEPORK草鱼FPGAPORK草鱼GAIN草鱼CONTROLPORK草鱼TRIGGER草鱼CIRCUITPORK草鱼TOUCH草鱼SCREENI2261目草鱼草鱼草鱼草鱼录草鱼草鱼1项目背景草鱼1草鱼草鱼11示波器简介草鱼1草鱼草鱼12示波器发展现状草鱼2草鱼草鱼2数字存储示波器实现方案草鱼3草鱼草鱼21总体构架方案草鱼3草鱼草鱼22模拟前端方案草鱼4草鱼草鱼221阻抗变换方案草鱼5草鱼草鱼222增益控制方案草鱼6草鱼草鱼223ADC驱动方案草鱼7草鱼草鱼224抗混叠滤波处理草鱼8草鱼草鱼225直流偏移方案草鱼10草鱼草鱼226触发方案草鱼10草鱼草鱼23ADC方案草鱼13草鱼草鱼24FPGA数字处理系统板草鱼14草鱼草鱼25电源电路草鱼15草鱼草鱼26显示和接口方案草鱼16草鱼草鱼3硬件SOC及软件的实现基础17草鱼31自定义功能模块及SOPC系统组成17草鱼32软件开发环境21草鱼33示波器应用软件构建模式22草鱼4项目测试验证23草鱼41模拟通道性能测试23草鱼411模拟带宽23草鱼412垂直精度24草鱼413水平精度24草鱼414输入范围24草鱼415输入阻抗24草鱼42波形测试24草鱼5结论27草鱼51项目技术总结27草鱼511阻抗变换和探头技术27草鱼II512增益控制27草鱼513触发波形27草鱼514ADC技术27草鱼515数据处理技术28草鱼516操控程序构建28草鱼517新的操控理念28草鱼52技术之外的感触28草鱼6附件29草鱼61原理图及PCB29草鱼62程序34草鱼参考文献50草鱼致草鱼草鱼草鱼草鱼谢51草鱼草鱼天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计1项目背景草鱼示波器简介草鱼示波器是一种能够把电路信号从时域的维度展现在屏幕上的仪器，鲤鱼也因此功能示波器成为最常用的测量测试仪器之一。草鱼草鱼示波器的纵轴方向被电压值所度量，鲤鱼横轴则度量着信号的时间属性。草鱼显示在屏幕的图像我们形象地称之为“波形”。草鱼而为了方便观察波形，鲤鱼示波器还需要能够设置这两个度量的档位和偏移，鲤鱼即有了垂直刻度，鲤鱼垂直偏移，鲤鱼时间刻度，鲤鱼水平偏移。草鱼有了这4个设置旋钮我们可以方便观察波形的各个细节。草鱼不过不要忽略观察波形的一个重要特性，鲤鱼那就是触发。草鱼触发的作用是等待信号的某些特征才开始显示波形。草鱼最简单和常用的触发条件是等待上升的波形穿越某个设定的点。草鱼有了以上几个基本设置操作就可以构成一个简单的示波器。草鱼草鱼模拟示波器的构成PORK草鱼草鱼草鱼图草鱼11草鱼模拟示波器的构成草鱼草鱼模拟示波器的构成如图11，鲤鱼通过把处理过的信号加在示波管的垂直方向，鲤鱼用锯齿波加在波器管的水平方向来演绎时间。草鱼通过触发电路来开启锯齿波从而触发波形。草鱼这样的实现方式存在着几个不够理想的缺陷。草鱼首先波形是靠眼睛看，鲤鱼偶发性的波形看到了就算看到了，鲤鱼没看到可没有第二次机会。草鱼其次示波管的余辉时间太短，鲤鱼对于变化比较缓慢的波形，鲤鱼仅仅靠放慢扫描速度也是看不到波形的全貌的。草鱼因为波形过早地消失了。草鱼具有存储功能的模拟示波器成为了高级仪器。草鱼草鱼天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计2草鱼图草鱼12草鱼数字示波器的组成草鱼新型示波器数字存储示波器草鱼改进型的模拟示波器开始有了数字的踪影，鲤鱼也有了数字示波器的雏形。草鱼其结构如图12。草鱼数字示波器除了模拟前端还保持模拟的模拟的方式处理信号其他处理都采用了数字化技术，鲤鱼大量地采用ADC和DAC技术，鲤鱼连控制波形的偏移和放大也数字化了，鲤鱼不仅如此，鲤鱼显示部件也采用了液晶屏幕。草鱼除了显示波形以外还能显示出更多的参数信息，鲤鱼如频率，鲤鱼幅值，鲤鱼上升时间等众多测量参数。草鱼草鱼示波器发展现状草鱼目前在国内的大部分实验室使用的是快要过时的模拟示波器，鲤鱼其带宽都在100MHZ以下，鲤鱼而同样带宽的数字示波器的价格则在万元左右。草鱼而世界上对低端示波器的定义在300MHZ，鲤鱼大家使用100MHZ的示波器而没有选更高主要原因是数字示波器的核心技术被外国企业所垄断。草鱼TEK，鲤鱼FLUKE，鲤鱼AGILENT，鲤鱼力科等示波器制造商几乎占据了国内的数字示波器的市场。草鱼不仅如此，鲤鱼因为技术被垄断，鲤鱼外国公司把售价抬得很高，鲤鱼远高于示波器的制造成本。草鱼草鱼数字存储示波器实现方案草鱼本章节详细讨论了数字示波器各部分的实现方案，鲤鱼通过对方案的讨论引出了示波器的技术构成和技术目标。草鱼草鱼天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计3总体构架方案草鱼数字示波器一般构成如图21草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼图草鱼21草鱼数字示波器框图草鱼草鱼来自探头的信号首先经过无源衰减然后进行阻抗变换（即缓冲），鲤鱼之后信号具有的一定的驱动能力，鲤鱼再经过可变增益的放大或衰减调整到适合ADC采样的幅值，鲤鱼为了能在屏幕上移动波形，鲤鱼信号在增益调整之后添加一个偏移量在有ADC驱动电路输入给ADC芯片，鲤鱼ADC是数据采样的核心，鲤鱼经过高速采样的信号变成了数据流，鲤鱼通过数据存储电路把大量的波形数据存储起来。草鱼采样部分告一段落。草鱼数据存储器的数据能通过数据总线读写。草鱼控制核心通过分析触发条件挑选存储波形中合适的部分或全部数据处理成现实波形。草鱼而所有控制的命令始于控制面板，鲤鱼用户设置好的各种参数通过操作面板采集到控制核心，鲤鱼控制核心把这些控制参数转换成合适不同逻辑设置和模拟电压。草鱼例如我们控制波形上下移动将会被控制核心转换成控制DAC产生偏移电压加载在进入ADC前的模拟信号中。草鱼草鱼模拟通道在很宽的不同带宽指标下结构并没有太多的变化，鲤鱼而不同的带宽指标通过不同的性能的模拟芯片实现。草鱼而示波器带宽指标不同就不能用单一的一种数据处理结构来处理数据。草鱼举个例子，鲤鱼在10MHZ采样时钟下的数据流我们可以天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计4用74系列的芯片对数据锁存并存入单片FIFO，鲤鱼而如果采样时钟上升到了1GHZ,对ADC数据流的处理就只能用FPGA及定制芯片来接受和存储了数据流。草鱼1GHZ的采样时钟并不是随意虚高的数值，鲤鱼即使采样率达到了1GHZ，鲤鱼示波器的理论带宽最高为500MHZ，鲤鱼而实际应用中只能做到200MHZ模拟带宽。草鱼这也是低端示波器的带宽性能。草鱼在数字示波器中后端数字处理的框架决定了整个示波器的性能。草鱼我们有必要先讨论一下数字示波器的数字处理框架。草鱼草鱼FPGA还有一个强大的功能就是在其大规模的逻辑资源的基础上构建SOPC系统。草鱼SOPC系统是ALTERA公司首先提出来了，鲤鱼其含义是可编程片上系统。草鱼即在一个块FPGA实现系统的整个功能。草鱼其实现的基础是处理器软核和外围数字部件。草鱼SOPC系统的意义在于构建简单快速，鲤鱼处理系统的构建风险降低了，鲤鱼开发周期也将缩短。草鱼而且构建相当地灵活，鲤鱼我们可以按照自己的意愿设计添加专用处理组件，鲤鱼无缝的结合在CPU系统中。草鱼举个例子，鲤鱼如果我们需要一个FFT处理，鲤鱼我们可以先构建一个FFT处理硬件，鲤鱼在借助SOPC草鱼构建软件我们可以为FFT定制一条汇编指令，鲤鱼在C/C中生成C的宏指令。草鱼这样我们在C环境中调用一条指令就可以完成FFT运算。草鱼而SOPC系统可以利用FPGA剩余的逻辑资源实现其他在原来FPGA实现的逻辑电路，鲤鱼而不受到太多的影响。草鱼草鱼模拟前端方案草鱼不管是数字示波器还是模拟示波器，鲤鱼在模拟前端的结构上面是不需要有区别的。草鱼模拟前端的任务都是把信号的幅值和偏移调整到需要的水平。草鱼主要是两个参数的调整，鲤鱼调整幅值即是变化通道中的增益，鲤鱼而偏移量是通过加上一个直流分量实现偏移。草鱼所以我们可以用图22的框图预览模拟前端的结构。草鱼草鱼草鱼草鱼图草鱼22草鱼模拟前端组成框图草鱼模拟前端可以讨论的技术点有很多，鲤鱼其中的很多技术也是关键技术。草鱼下面我分开讨论一下模拟前端的各个技术组成。草鱼草鱼草鱼阻抗变换方案草鱼示波器测量电路是需要在电路中截取信号，鲤鱼同时要尽量减少对信号的影响。草鱼加天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计5大模拟前端的输入电阻，鲤鱼减少输入电容，鲤鱼是示波器首先应该解决的问题。草鱼阻抗变换电路能提供一个大的输入电阻，鲤鱼小的输入电容通路，鲤鱼同时提供一个小的输入电阻大的驱动电流的输出。草鱼这个输出提供给后级电路就不需要担心信号变形。草鱼输入信号和输入信号通常不需要放大或衰减。草鱼草鱼但是阻抗变换电路存在一些技术难点。草鱼阻抗变换要至少要同时达到5个指标。草鱼1，鲤鱼大的输入电阻，鲤鱼通常在G级，鲤鱼2，鲤鱼小的输入电容，鲤鱼小于5PF，鲤鱼3，鲤鱼高的通频带，鲤鱼对于一个100MHZ带宽的示波器，鲤鱼因为每一级都在消耗带宽，鲤鱼阻抗变换的通带要在200MHZ以上，鲤鱼才能保证进入ADC的信号高于100MHZ带宽。草鱼4，鲤鱼高的摆率，鲤鱼摆率和带宽有着紧密的联系，鲤鱼但是高的带宽不一定意味着高的摆率，鲤鱼因为大多数运放的小信号带宽比大信号带宽高很多，鲤鱼大信号的带宽更能体现摆率的意义。草鱼更大的摆率意味着更快的变化速度，鲤鱼这样你才能看到类似阶跃的信号。草鱼5，鲤鱼输入输出电压范围，鲤鱼输入电压范围会直接影响后级增益分配，鲤鱼而增益和带宽有一定的互斥关系。草鱼阻抗变换的输入范围会间接影响带宽指标。草鱼草鱼如果说单独满足上述技术要求那设计的难度并不大，鲤鱼而要同时满足以上性能。草鱼就有难度了。草鱼草鱼现在集成运放的研究与以往相比取得了长足的进步，鲤鱼现在我们可以轻松的买到带宽超过1GHZ的运放。草鱼电流反馈型运放测有着更高的带宽性能。草鱼如果能找到一款高速且具有高输入阻抗的运放，鲤鱼把它设置成GAIN1，鲤鱼那么阻抗变换变得很简单。草鱼而现在就有这样的运放。草鱼如TI公司的OPA656，鲤鱼OPA657。草鱼OPA657的增益带宽积达到了16GHZ，鲤鱼当配置成GAIN1，鲤鱼那么小信号带宽达到了16GHZ，鲤鱼而输入阻抗达到了1T，鲤鱼足以满足低端示波器的性能需求。草鱼草鱼草鱼图草鱼23草鱼集成缓冲芯片草鱼本设计中采用如图草鱼23方案，鲤鱼这个方案与直流交流分开缓冲精确合成方案相比成本可高出不少。草鱼草鱼草鱼增益控制方案草鱼增益控制范围达到40DB，鲤鱼带宽达到300MHZ的集成增益控制芯片是找的到。草鱼选天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计6用集成控制增益芯片完成增益控制与前两个方案相比有很大的优势，鲤鱼首先增益控制连续可调，鲤鱼而集成化得芯片体积大大减少，鲤鱼电路变得简单，鲤鱼PCB板的绘制也简洁了许多，鲤鱼从PCB线路的角度来说连接简单风险小，鲤鱼电源去耦也方便。草鱼此外电路的功耗与前两个方案相比也小一些。草鱼草鱼我选用的就是VCA824方案。草鱼在使用中发现了一个问题。草鱼VCA824有两个偏移，鲤鱼一个是内部乘法器之前形成的偏移，鲤鱼另一个是乘法器之后形成的偏移PORK一个输入偏移，鲤鱼另一个是输入偏移，鲤鱼最后的偏移结果是由这两个偏移叠加而来的。草鱼输出偏移是相对固定的，鲤鱼而输入偏移和增益控制有一定关系。草鱼如图24。草鱼草鱼草鱼草鱼图草鱼24草鱼VCA824输入偏移与增益的关系草鱼由图24可以看出，鲤鱼在其他的增益点有不同的偏移，鲤鱼而且偏移量不可以忽略，鲤鱼必须得采取措施，鲤鱼否则示波器在使用直流测量功能时，鲤鱼此偏移将造成直流测量误差。草鱼解决方法可以用DAC通道板提供一个偏移修正电压（如图25）。草鱼草鱼草鱼草鱼图草鱼25草鱼VCA824偏移补偿方案草鱼天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计7这个偏移修正随着增益的值输出对应的偏移修正电压，鲤鱼也就是说，鲤鱼通过实验的方法把修正的参数做成数据表格存放在处理器中，鲤鱼通过查表来修正偏移误差将会大大减小。草鱼在实际运用中这个方法取得了和很好的效果。草鱼草鱼草鱼草鱼ADC驱动方案草鱼高速ADC通常是差分输入，鲤鱼信号通过增益控制之后需要一个把单极性信号转换成为差分信号的电路，鲤鱼同时这个电路直接驱动ADC。草鱼草鱼单运放缓冲单极驱动方案草鱼如果把差分输入的ADC的负输入端接在一个中间电平，鲤鱼只驱动正输入端也是可工作的（图26）。草鱼草鱼图草鱼26草鱼单极驱动方案草鱼不过这样的用法会损失一半的输入动态范围，鲤鱼也会增大失真。草鱼同时还损失了6DB的增益。草鱼没有差分运放的时候可以勉强使用此方案。草鱼草鱼单芯片差分驱动方案草鱼如果有集成的差分运发来驱动ADC（图27）那是最好不过了，鲤鱼不至于损失ADC的动态输入范围和通道的增。草鱼草鱼草鱼天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计8草鱼图草鱼27草鱼差分驱动方案草鱼图中THS4509具有19GHZ的带宽，鲤鱼6600V/US的摆率，鲤鱼而差分共模电平可以重新定位。草鱼精确对准ADC的参考的中间电平，鲤鱼使ADC的输入窗口尽其所用。草鱼草鱼草鱼抗混叠滤波处理草鱼草鱼数字示波器常常出现测试同一个周期波形在不同的水平档位看到同样的形状，鲤鱼或者明显不符合收缩比例。草鱼看个例子PORK草鱼草鱼图草鱼28草鱼未发生混叠草鱼如图草鱼28，鲤鱼红色点标记为ADC在波形上的采样点，鲤鱼把所有采到的点连起来就能显现出信号的波形了。草鱼草鱼草鱼草鱼图草鱼29草鱼发生混叠草鱼天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计9而如果出现如图草鱼29的情况，鲤鱼我们把采到的点连起来也得到了红色的波形。草鱼这个波形和实际波形明显不符。草鱼这个时候发生了采样混叠。草鱼很明显当采样点低于信号频率是会发生混叠。草鱼草鱼那采样频率和信号频率满足什么关系才不会发生混叠呢PORK奎斯特研究并证明了，鲤鱼采样频率必须大于信号频率的2倍才不至于发生混叠。草鱼草鱼可见在采样率一定的时候，鲤鱼需要限制采样前信号的频谱宽度才保证显示不发生混叠。草鱼草鱼草鱼草鱼图草鱼210草鱼抗混叠滤波草鱼图210中被圈住的电阻和电容构成了抗混叠功能。草鱼草鱼如果示波器有等效采样功能，鲤鱼那么就需要去掉抗混叠滤波。草鱼因为等效采样的原理的根基就是利用混叠效应，鲤鱼用低的采样率来查看比自身频率高的信号。草鱼草鱼草鱼直流偏移方案草鱼偏移电路是示波器模拟通道原理最简单的电路。草鱼本质上就是把信号和一个设定的直流信号相加。草鱼用一个加法电路就能实现。草鱼草鱼在运放的差分输入负极输入（图草鱼211）一个直流信号也能起到偏移效果。草鱼此方案也是不增加通道有源级数，鲤鱼不影响信号的带宽。草鱼草鱼草鱼草鱼天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计10图草鱼211草鱼在差分负极输入处添加偏移草鱼草鱼触发方案草鱼触发是示波器重要的功能之一，鲤鱼如果没有触发示波器的显示将不会出现稳定的波形，鲤鱼是触发让波形稳定。草鱼通过设置触发来过滤用户不感兴趣的信号，鲤鱼提取感兴趣的部分。草鱼为了看到触发特征之前信号发生了什么，鲤鱼在模拟示波器中需要延迟波形到达荧幕的时间，鲤鱼同时并不延迟触发的信号。草鱼这样示波器好像先知一样。草鱼提前显示一部分波形然后才看到了触发显示的特征，鲤鱼而按理说，鲤鱼每次显示都是先由触发电路来触发水平扫描系统开始扫描。草鱼其根本技术在于把波形延迟了一段时间。草鱼模拟示波器中这个电路叫做延迟线，鲤鱼如图草鱼212。草鱼而这个延迟线电路能延迟的时间非常有限。草鱼在测量低频时几乎丧失了意义。草鱼对于低频信号你几乎看不到触发特征之前的信号。草鱼草鱼草鱼图草鱼212草鱼模拟示波器的触发原理草鱼而在数字示波器中，鲤鱼触发延迟实现起来很简单。草鱼如图草鱼213，鲤鱼波形是存储在存储器中的，鲤鱼只要把波形数据向前移动地址就可以实现查看触发前信号了。草鱼存储器的容量比较大，鲤鱼低频时能实现同样比例的延迟。草鱼草鱼草鱼天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计11草鱼图草鱼213草鱼数字示波器的触发原理草鱼下面讨论一下触发特征的识别和其实现方法。草鱼草鱼硬件触发方案草鱼所谓硬件触发是指把输入的模拟信号与设定的一个电压进行比较，鲤鱼产生一系列比较波形。草鱼比较器输出波形中上升沿意味着这个时刻波形从设置电压值的下面上升到设置电压的上面。草鱼我们通过数字电路识别比较器输出波形的上升沿从而识别信号上升沿穿过设置电压的特征（图草鱼214）。草鱼这样的触发信号被称为上升沿触发。草鱼草鱼草鱼图草鱼214草鱼比较触发原理草鱼同理识别比较器输出波形的下降沿就能实现波形下降沿触发。草鱼草鱼硬件触发方式是等效采样的必备条件。草鱼等效采样必须依靠硬件触发来找寻下一样点的位置。草鱼草鱼硬件触发在一定条件下也会失效，鲤鱼比如信号中有高频毛刺时，鲤鱼在毛刺点附近存在着很多与大体波形趋势想法的信号，鲤鱼而如果这些信号也可以满足触发条件。草鱼由这种条件所引发的触发时误触发（图草鱼215）。草鱼草鱼草鱼天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计12草鱼图草鱼215触发错误原理草鱼如果把比较电路设置成迟滞比较，鲤鱼这个迟滞值就决定了触发灵敏度（图草鱼216）。草鱼灵敏度的大小决定着触发电路对小信号的触发反应。草鱼有了灵敏度设置，鲤鱼我们可以设置较小的灵敏度从而稳定观察小毛刺较多的信号。草鱼反之，鲤鱼我们可以更多地观察我们感兴趣的毛刺信号。草鱼草鱼草鱼草鱼图草鱼216草鱼高频触发抑制原理草鱼模拟触发电路从信号缓冲后级截取信号与DAC输出的一个设置比较值进行比较。草鱼比较器采用TL3016图草鱼217，鲤鱼TL3016能提供45NS触发延迟和100MV迟滞电压。草鱼相比LM311的1US延迟，鲤鱼此芯片是性价比较高的一块芯片。草鱼草鱼草鱼天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计13图草鱼217草鱼触发电路草鱼比较器输出的是差分信号。草鱼即便比较器输出的边沿很快但不会给周围电路带来太大干扰。草鱼草鱼ADC方案草鱼ADC是数字示波器的核心器件，鲤鱼ADC芯片成本在示波器总成本中占得比例最高，鲤鱼即使方案中使用了高级的FPGA。草鱼很多时候，鲤鱼高的ADC采样率就意味着带宽更高，鲤鱼性能更好的示波器。草鱼因为ADC是示波器性能提高的瓶颈。草鱼为此有许多降低成本，鲤鱼提高采样率的方案。草鱼草鱼本设计采用TI公司的ADS831E，鲤鱼采样率达到了80MSAMP/S。草鱼模拟输入带宽是300MHZ，鲤鱼其内部结构如图草鱼218。草鱼芯片设计成内部1V基准，鲤鱼这样对前端增益的要求降低了6DB，鲤鱼降低基准电压有助于提高通道的增益，鲤鱼给模拟带宽让出一定的空间。草鱼草鱼草鱼图草鱼218草鱼ADC内部结构草鱼通道间没有采用行业内默许的ADC交叉技术，鲤鱼因为要交叉是用ADC就必须把两个通道的电路在一块PCB上绘制。草鱼而制作一块大板比制作单独的板子再连接起来的风险大一些。草鱼假设小板中一个部分设计错误不会涉及其他模块板。草鱼草鱼FPGA数字处理系统板草鱼草鱼FPGA系统板资源包括一个CYCLONEIII系列FPGA草鱼EP3C25Q240C8N，鲤鱼一个容量为32MBYTE草鱼SDRAM和配置芯片EPCS16（如图219）。草鱼草鱼天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计14草鱼图草鱼219草鱼核心板资源草鱼EP3C25Q240C8N包含25K草鱼LES，鲤鱼66个乘法器等诸多资源，鲤鱼足以满足SOPC功能组件的构建需求。草鱼草鱼电源电路草鱼草鱼草鱼图草鱼220草鱼电源电路草鱼电源电路的设计关系到便携性、PORK通道噪声、PORK散热问题。草鱼为了提供干净的电源，鲤鱼开关电源不是一个好选择，鲤鱼但是开关电源的高效率与强大驱动能力是不可轻视的。草鱼如果设计好电源滤波电路，鲤鱼开关电源在本设计中是勉强能用的。草鱼本设计采用如图草鱼220的开关电源电路。草鱼实验证明通过LC滤波电路能有效地去除开关电源中的开关噪声。草鱼由于通道的最大增益并不太大，鲤鱼只有40DB。草鱼滤波后的噪声并未对模拟通道造成明显的影响，鲤鱼平衡了噪声因素之后，鲤鱼开关电源带来的高效率天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计15使此产品适合移动测试的要求。草鱼采用12V，鲤鱼16AH电池组能支持示波器工作2小时。草鱼而这是线性电源不可比拟的。草鱼此外开关电源也让示波器能适应宽的电源输入范围。草鱼8V40V的输入情况下示波器都能正常工作。草鱼极大地方便了示波器的便携应用。草鱼草鱼显示和接口方案草鱼显示和接口大体以模拟和数字来分类。草鱼最早的模拟示波器和数字示波器都采用CRT显示器。草鱼而后来数字示波器换成了液晶屏。草鱼在操作面板上没有太多的变化。草鱼草鱼新型设计理念草鱼IPHONE风靡全球的一个重要原因是采用全触摸操控，鲤鱼触摸翻页，鲤鱼触摸缩放，鲤鱼给用户全新的体验。草鱼如果在查看波形的时候也能实现触摸缩放及移动，鲤鱼测试的心情会不会多一份惬意。草鱼本着这个想法本示波器采用全触摸操控，鲤鱼波形掌握于指间，鲤鱼缩放移动波形更人性化。草鱼给操控者不一样的使用体验。草鱼甚至所以设置都可以通过触摸屏来实现。草鱼草鱼天津职业技术师范大学届本科生毕业设计16硬件SOC及软件的实现基础草鱼自定义功能模块及SOPC系统组成草鱼SOPC组成如图草鱼31所示，鲤鱼主要包含了32位NIOSII软核处理器和AVALONE总线架构，鲤鱼这是SOPC主体。草鱼支持软核运行的有SDRAM控制器和偏上存储器，鲤鱼CPU指令缓存和CPU数据缓存。草鱼这些都是可以自定义大小的。草鱼直接应用在本设计的有FIFO读写端口和LCD驱动PIO。草鱼还有控制功能组件的GPIO。草鱼示波器触发逻辑模块通过GPIO控制，鲤鱼完成了触发延迟，鲤鱼触发后延迟，鲤鱼预存储，鲤鱼触发功能选择等项任务。草鱼草鱼草鱼草鱼图草鱼31草鱼组件框图草鱼FIFO的设计草鱼FIFO除去地址生成部分的电路，鲤鱼那么FIFO就是一个双口RAM，鲤鱼利用QUARTUSII软件中的LPM宏功能模块定制功能生成一个大小为8KBYTE的双口RAM。草鱼这个RAM的读写速度能达到250MHZ。草鱼而地址发生器采用一个计数器对地址进行自动累加。草鱼设计图如图草鱼32所示。草鱼草鱼草鱼天津职业技术师范大学届本科生毕业设计17VCCDATAIN70INPUTVCCCLKINPUTVCCCLEARINPUTVCCREADENABLEINPUTVCCREADCLOCKINPUTREADDATA70OUTPUTCURRENTADRESS120OUTPUTVCCUPCOUNTERCLOCKACLRQ120LPM_COUNTER_D13_UP_ASYCLRINST38192WORDSRAMBLOCKTYPEAUTODATA70WRADDRESS120WRENRDADDRESS120RDENWRCLOCKRDCLOCKQ70ALTDPRAM_D8_A13_W_R_REINST4ADCDATARAM草鱼图草鱼32草鱼FIFO草鱼触发逻辑的设计草鱼触发逻辑是示波器功能组件中比较重要的功能组件。草鱼首要的两个任务是触发预采样和触发后延迟采样的控制，鲤鱼采样数据存入FIFO是由触发逻辑来控制的。草鱼草鱼要完成触发首先要识别触发特征；PORK草鱼草鱼VCHEADDATA70INPUTVCCAUDADATA70INPUTVCDATAIN70INPUTVCCLKINPUTVCCLEARINPUTVCCONTROLBITS60INPUTTRIGEROUTOUTPUTCLRNDPRNQDFINST1AND2INST5AND2INST6AND2INST7AND2INST8AND2INST9AND2INST10OR3INST1OR3INST12AND3INST13VCNOTINST29DFDATA70CLOCKACLRQ70LPM_DF_D7_ASYCLRINST18DFDATA70CLOCKACLRQ70LPM_DF_D7_ASYCLRINST20UNSIGNEDCOMPAREDATA70DATAB70CLOCKACLRAEBAGBALBLPM_COMPARE_D7_E_G_L_2CK_ASYCLRINST21UNSIGNEDCOMPAREDATA70DATAB70CLOCKACLRAEBAGBALBLPM_COMPARE_D7_E_G_L_2CK_ASYCLRINST2CONTROL60CONTROL11CONTROL22CONTROL33CONTROL44CONTROL55CONTROL66CONTROL00草鱼图33草鱼触发逻辑草鱼图33电路借助数值比较器判断数据流的数值大小，鲤鱼比较器的结果向后延迟一个时钟并且与前一个时钟的比较结果做就能判断出数据的趋势和穿越点的位置。草鱼两个类似的逻辑电路综合在一起就可以构成斜率触发。草鱼控制触发比较值可以控制触发的灵敏度。草鱼草鱼数据流触发信号与硬件触发信号一起被MUX选择，鲤鱼选出其中一个触发信号作为控制采样的触发源（图草鱼34）。草鱼草鱼VCCCH1TRIGGERINPINPUTVCCCH1TRIGGERINNINPUTVCCCH2TRIGGERINPINPUTVCCCH2TRIGGERINNINPUTVCCHEADDATA70INPUTVCCCAUDADATA70INPUTVCCCH1DATAIN70INPUTVCCCH2DATAIN70INPUTHEADDATA70CAUDADATA70DATAIN70CLKCLEARCONTROLBITS60TRIGGEROUTTRIGGERINST3VCCDATA1X70DATA0X70SELRESULT70LPM_MUX_D7X2INST14DFFDATACLOCKACLRQLPM_DF_ASYCLRINST16DATA4DATA3DATA2DATA1DATA0SEL20RESULTLPM_MUX_D1X5INST1CONTROLBITS7CONTROLBITS60CONTROLBITS108草鱼天津职业技术师范大学届本科生毕业设计18图草鱼34草鱼触发源选择逻辑草鱼开启触发功能后一个叫做触发预采样的计时电路使ADC持续采样一个预订的点数。草鱼完成预采样之后，鲤鱼触发信号被允许触发开启触发延迟计时器。草鱼触发延迟计时的作用是在触发特征出现之后延迟采样的预订的采样点数，鲤鱼然后控制采样时钟停止。草鱼这样就控制采集了触发特征前得波形和触发特征后的波形。草鱼他们的长度都是受到CPU设置的。草鱼草鱼波形特征分析电路草鱼波形的最大值和最小值还有平均值的信息可以用来做自动调整波形功能。草鱼所以设计中添加了一个波形特征分析逻辑（图草鱼35）。草鱼草鱼草鱼VCCCLKINPUTVCCDATAIN70INPUTVCCCLEARINPUTMIN70OUTPUTMAX70OUTPUTDFFDATA70CLOCKENABLEASETQ70LPM_DFF_D8_EN_ASYSETINST4DFFDATA70CLOCKENABLEACLRQ70LPM_DFF_D8_EN_ASYCLRINST5UNSIGNEDCOMPAREDATAA70DATAB70ALBLPM_COMPARE_D8_L_0CKINST6UNSIGNEDCOMPAREDATAA70DATAB70AGBLPM_COMPARE_D8_G_0CKINST草鱼图草鱼35草鱼最大值最小值识别电路草鱼特征分析逻辑通过选择记录最低的样值和最高的样值，鲤鱼得出波形的最大值和最小值。草鱼通过平均最大值和最小值得出平均值。草鱼草鱼组件预览草鱼SOPC组件（图草鱼36）。草鱼草鱼草鱼天津职业技术师范大学届本科生毕业设计19草鱼草鱼图草鱼36草鱼SOPC组件列表草鱼触发和缓存顶层预览（图草鱼37）。草鱼草鱼天津职业技术师范大学届本科生毕业设计20VCCDATAINCH170INPUTVCCDATAINCH270INPUTVCCREADENABLECH1INPUTVCCREADENABLECH2INPUTVCCREADADRESSCH1120INPUTVCCREADADRESSCH2120INPUTVCCTRIGGERINPCH1INPUTVCCTRIGGERINNCH1INPUTVCCTRIGGERINPCH2INPUTVCCTRIGGERINNCH2INPUTVCCHEADDATA70INPUTVCCCAUDADATA70INPUTVCCTRIGGERDELAY310INPUTVCCPREDELAY310INPUTVCCCLOCKININPUTVCCCLOCKSELECT40INPUTVCCCLOCKINADCINPUTVCCREADCLOCKINPUTVCCCLEARINPUTVCCCONTROLBITS100INPUTCLOCKTOADCOUTPUTTRIGGERDELAYOKOUTPUTTRIGGEREDOUTPUTREADDATACH170OUTPUTREADDATACH270OUTPUTMINCH270OUTPUTMINCH170OUTPUTMAXCH170OUTPUTMAXCH270OUTPUTCURRENTADRESSCH2120OUTPUTCURRENTADRESSCH1120OUTPUTCPUINTERFACEDATAIN70CLKCLEARREADCLOCKREADENABLEREADADRESS120CURRENTADRESS120MAX70MIN70READDATA70CHSTOREINSTCLOCKINCLEARCLKSEL40CLOCKINADCCLKOUTCLOCKTOADCCLOCKCONTROLINST1CPUINTERFACEDATAIN70CLKCLEARREADCLOCKREADENABLEREADADRESS120CURRENTADRESS120MAX70MIN70READDATA70CHSTOREINST3CH1TRIGGERINPCH1TRIGGERINNCH2TRIGGERINPCH2TRIGGERINNHEADDATA70CAUDADATA70CH1DATAIN70CH2DATAIN70CLKINCONTROLBITS100TRIGGERDELAY310PREDELAY310CLEARTRIGGERDELAYOKTRIGGERCLKOUTTRIGGERCONTROLINST2草鱼图草鱼37草鱼触发和缓存顶层草鱼等精度测频模块预览（图草鱼310）。草鱼草鱼草鱼STD_TIME310STD_CLKTEST_CLKSTARTSTD_COUNT310TEST_COUNT310COMPLETE_NTEST_FCH2OSTD_TIME_CH2310ISTD_COUNT_CH2310ITEST_COUNT_CH2310OSCINT3OTRIGGERCONTROL13草鱼图草鱼310草鱼精度测频模块草鱼草鱼工程顶层文件（图草鱼311）。草鱼草鱼草鱼VCCLK0INPUTVCREST_NINPUTVCTF_IN_PORT20INPUTVCDATINCH170INPUTVCDATINCH270INPUTVCTRIGERINPCH1INPUTVCTRIGERINPCH2INPUTVCTRIGERINNCH1INPUTVCTRIGERINNCH2INPUTVCDAT0TOHEEPCSCONTROLERINPUTOTUCHBROAD20OUTPUTTF_CONTROL_PORT50OUTPUTADR120OUTPUTBA10OUTPUTDQM10OUTPUTCKEOUTPUTNCASOUTPUTNCSOUTPUTNRASOUTPUTNWEOUTPUTSDRAMCLKOUTPUTDAC840OUTPUTCLOCKTOCH1ADCOUTPUTCLOCKTOCH2ADCOUTPUTACDBUFCONTROLCH10OUTPUTACDBUFCONTROLCH210OUTPUTDERBUGLED1OUTPUTDCLKFROMTHEEPCSCONTROLEROUTPUTSCEFROMTHEEPCSCONTROLEROUTPUTSDOFROMTHEEPCSCONTROLEROUTPUTVCTF_DAT150BIDIRVCDQ150BIDIRAND2INST15GNDGNDDATINCH170READENABLECH1EADADRES120READCLOCKDATINH270READENABLECH2EADADRES2120TRIGERINPCH1TRIGERINN1TRIGERINPCH2TRIGERINN2HEADDAT70CAUDAAT70ONTROLBITS10TRIGERDELAY310PREDELAY310CLOCKINLEARCLOCKSELCT40LOCKINADCCURENTADRESCH120MAX170INCH170READDAT170CURENTADRESCH2120MAX270INCH270READDAT270TRIGERDELAYOKTRIGERDCLOCKTOADCADC2HINSTSTD_TIME310ST_CLKTEST_LKSTARTSTD_COUNT310TEST_T310COMPLET_NTEST_FCH1STD_TIME310ST_CLKTEST_LKSTARTSTD_COUNT310TEST_T310COMPLET_NTEST_FCH2CLK_0REST_NIN_PORT_TO_THE_DAC840IN_PORT_TO_THE_MAXCH170IN_PORT_TO_THE_MAXCH270IN_PORT_TO_THE_MINCH170IN_PORT_TO_THE_MINCH270IN_PORT_TO_THE_OSCINT70DATR_FROM_THE_READONLYRAMPORT8KX8BIT_CH170DATR_FROM_THE_READONLYRAMPORT8KX8BIT_CH270DAT0_TO_THE_PCS_CONTROLERIN_PORT_TO_THE_IADC_DATCH170IN_PORT_TO_THE_IADC_DATCH270IN_PORT_TO_THE_ICH1CURENTPOSITON120IN_PORT_TO_THE_ICH2CURENTPOSITON120IN_PORT_TO_THE_ISTD_COUNT_CH1310IN_PORT_TO_THE_ISTD_COUNT_CH2310IN_PORT_TO_THE_ITEST_COUNT_CH1310IN_PORT_TO_THE_ITEST_COUNT_CH2310IN_PORT_TO_THE_ITOUCHBORAD20OUT_PORT_FROM_THE_CH1BUFCONTROL10OUT_PORT_FROM_THE_CH2BUFCONTROL10OUT_PORT_FROM_THE_DAC840OUT_PORT_FROM_THE_DEBUG_LEDREADENABLE_TO_THE_READONLYRAMPORT8KX8BIT_CH1ADR_TO_THE_READONLYRAMPORT8KX8BIT_CH120READENABLE_TO_THE_READONLYRAMPORT8KX8BIT_CH2ADR_TO_THE_READONLYRAMPORT8KX8BIT_CH2120ZS_ADR_FROM_THE_SDRAM120ZS_BA_FRO_THE_SA10ZS_CAS_NFROM_THE_SDRAMZS_CKE_FRO_THE_SAZS_CS_NFROM_THE_SDRAMZS_DQM_FROM_THE_SDRAM10ZS_RAS_NFROM_THE_SDRAMZS_WE_NFRO_THE_SAOUT_PORT_FROM_THE_TF_CONTROL_PORT50DCLK_FROM_THE_PCS_CONTROLERSCE_FRO_THE_PCS_CONTROLERSDO_FROM_THE_PCS_CONTROLEROUT_PORT_FROM_THE_OPREDELAY310OUT_PORT_FROM_THE_OSTD_TIME_CH1310OUT_PORT_FROM_THE_OSTD_TIME_CH2310OUT_PORT_FROM_THE_OSTORECLOCKSELCT40OUT_PORT_FROM_THE_OTUCHBORAD20OUT_PORT_FROM_THE_OTRIGERCONTROL310OUT_PORT_FROM_THE_OTRIGERDATCAUDA70OUT_PORT_FROM_THE_OTRIGERDATHEAD70OUT_PORT_FROM_THE_OTRIGERDELAY310ZS_DQ_TO_AND_FRO_THE_SA150BIDIR_PORT_TO_AND_FROM_THE_TF_DAT150NIOSIYSINST4CYCLONEIIINCLK0FREQUENCY500MHZOPERATIONMODENORMALCLKRATIOPHDGDCC02/1843500C12/100500C216/500500C38/500500INCLK0C0C1C2C3LOCKEDALTPL0INST12CLK160MHZRESTKEYCLK80MHZREADENABLEH2OTRIGERDATHEAD70OTRIGERDATCAUDA70OPREDELAY310OTRIGERDELAY310CLK160MHZSYSCLKREADADRESCH2120READADRESCH120READENABLECH1OSCINT0OSCINT1MAXCH170MAXCH270MINCH170MINCH270ICH2CURENTPOSITION120READDATCH170ICH1CURENTPOSITION120READDATCH270OS