基于DSP的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)方案

1.引言

數(shù)字存儲(chǔ)示波器有別于一般的模擬示波器，它是將采集到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由內(nèi)部的微處理器進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)、顯示或打印等操作。這類示波器通常具有程控和遙控能力，通過GPIO接口還可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)等外部設(shè)備進(jìn)行分析處理。隨著大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，功能強(qiáng)大的DSP數(shù)字信號(hào)處理器的實(shí)時(shí)性越來越強(qiáng)。DSP憑借其強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，為數(shù)字示波器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)可靠而又實(shí)用的平臺(tái)，并且提高了數(shù)字存儲(chǔ)示波器的采樣速率、存儲(chǔ)深度、波形捕獲能力等指標(biāo)。

本文描述的數(shù)字存儲(chǔ)示波卡是一種基于DSP的雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器。該示波器采用的是TI公司的TMS320F2812芯片，它具有高速的數(shù)字信號(hào)處理能力和濾波功能以及實(shí)時(shí)、大容量波形存儲(chǔ)、快速的信號(hào)處理等特性。并且本數(shù)字存儲(chǔ)示波器具有便攜、操作簡(jiǎn)單、精確度高、采樣速率大等優(yōu)點(diǎn)。

2.總體設(shè)計(jì)

數(shù)字示波器主要由前端穩(wěn)壓處理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、集成于FPGA芯片的NIOS系統(tǒng)及各種控制電路和SDRAM、各種鍵盤和LCD接口等組成。其中DSP芯片作為后端處理的核心使用的是TI公司的TMS320F2812.它是32位定點(diǎn)DSP芯片，內(nèi)含128K*64位的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器18K*16位的數(shù)據(jù)/程序存儲(chǔ)器以及4K*16位的Boot Rom,FPGA芯片作為前端采集控制處理器，使用的是Altera公司的EP2C5Q208,它是Cyclone系列的一款低成本FPGA芯片擁有多達(dá)119808bit的內(nèi)部RAM,4608個(gè)邏輯單元，支持Altera公司的NIOSII及SOPC,可滿足設(shè)計(jì)要求。

如圖1所示，被測(cè)信號(hào)首先從通道1或通道2,由于兩個(gè)通道接收到的模擬信號(hào)的幅值處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必須經(jīng)過調(diào)理電路處理成A/D轉(zhuǎn)換電路可以接收的電壓范圍，否則會(huì)引起非常嚴(yán)重的后果。A/D轉(zhuǎn)換電路可以把調(diào)理后的模擬信號(hào)經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼等過程后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在S D R A M控制器的作用下送入F P G A芯片。在FPGA內(nèi)置的NIOS的總體控制下，利用內(nèi)部的FIFO進(jìn)行緩沖和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

在本設(shè)計(jì)中，DSP是整個(gè)示波卡數(shù)據(jù)處理和顯示的核心，進(jìn)行主要的數(shù)據(jù)處理，并且輸出處理結(jié)果和相應(yīng)的控制信號(hào)。FPGA在DSP發(fā)出的控制信號(hào)的作用下進(jìn)行工作。DSP是一種高速的數(shù)字信號(hào)處理器，經(jīng)過FPGA處理并保存于緩沖存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，在DSP控制信號(hào)作用下，將數(shù)據(jù)送入SDRAM中的原始緩沖區(qū)中。再經(jīng)過DSP各種差值和濾波等算法的處理后，送入示波卡的顯示緩沖區(qū)，用于在LCD屏上的波形顯示。

2.1 前端調(diào)理電路和A/D采樣的設(shè)計(jì)

一般A/D芯片允許輸入的電壓幅度都是固定的(-0.5v~+0.5v)，由各種信號(hào)的衰減和放大以及電壓偏置網(wǎng)絡(luò)組成的預(yù)處理電路，負(fù)責(zé)把前端接收到的不穩(wěn)定的模擬信號(hào)經(jīng)過方法和衰減之后，穩(wěn)定在允許輸入的電壓范圍內(nèi)?？傮w來說，前端預(yù)處理電路由兩部分組成，一是由繼電器和RC共同組成的衰減網(wǎng)絡(luò)，既可以避免信號(hào)的失真又可以方便數(shù)字存儲(chǔ)示波卡的基準(zhǔn)調(diào)節(jié);二是由兩片運(yùn)放AD8008組成的阻容匹配網(wǎng)絡(luò)和驅(qū)動(dòng)放大電路。AD8008是具有雙通道、高性能、電流反饋型放大器，其具有超低失真和噪聲特性，帶寬為650MHz,并且具有寬電源電壓范圍(5V~12V)。

數(shù)據(jù)采集的核心是A/D轉(zhuǎn)換功能。雖然DSP芯片本身具有A/D轉(zhuǎn)換的功能，但是為了提高其工作速度，本設(shè)計(jì)采用兩片AD9288完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作。在采樣時(shí)鐘的控制下，構(gòu)成180度相位差，滿足200MS/s采樣速率。

AD9288是一款雙核8位單芯片采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置片內(nèi)采樣保持電路，具有低成本、低功耗、小尺寸和易于使用等特性。AD9288采用100MSPS轉(zhuǎn)換速率工作，在整個(gè)工作范圍內(nèi)都具有出色的動(dòng)態(tài)性能。AD9288的輸出為二進(jìn)制碼，送入FPGA存儲(chǔ)模塊后，可直接存儲(chǔ)。每個(gè)通道均可以獨(dú)立工作，最高可達(dá)475MHz模擬帶寬，可以使雙通道并行工作。

2.2 觸發(fā)電路

觸發(fā)電路是信號(hào)采集系統(tǒng)的重要功能電路，其基本功能是提供一個(gè)穩(wěn)定的觸發(fā)相位點(diǎn)，用作水平掃描時(shí)基的時(shí)間參考零點(diǎn)，使波形在顯示屏上穩(wěn)定顯示。本采集電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)周期和被測(cè)信號(hào)相關(guān)的觸發(fā)脈沖信號(hào)，控制ADC數(shù)據(jù)采集。

觸發(fā)電路的核心部件是高速電平比較器，本采集電路中選用的是AD96685芯片和LT1713芯片。觸發(fā)電路如圖3所示。TrigLevel信號(hào)是迭加了源信號(hào)低頻分量的比較電平，Ref是參考電位，Trig Source信號(hào)是被觸發(fā)的源信號(hào)。通過改變Trig Level信號(hào)的電平值，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)電平的調(diào)節(jié)。通過LT1713比較整形后輸出一對(duì)ECL差分時(shí)鐘TrigP和TrigNP,再經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后送入FPGA內(nèi)觸發(fā)器。