基于FPGA的简易可存储示波器设计

2012-07-20 14:34:59来源: 21ic 关键字:数据采集  数字示波器  FPGA

  引言

  传统的示波器虽然功能齐全,但是体积大、重量重、成本高、等一系列问题使应用受到了限制。有鉴于此,便携式数字存储采集器就应运而生,它采用了LCD显示、高速A/D采集与转换、ASIC芯片等新技术,具有很强的实用性和巨大的市场潜力,也代表了当代电子测量仪器的一种发展趋势,即向功能多、体积小、重量轻、使用方便的掌上型仪器发展。

  系统组成结构及工作原理

  系统的硬件部分为一块高速的数据采集电路板。它能够实现双通道数据输入,每路采样频率可达到60Mbit/s。从功能上可以将硬件系统分为:信号前端放大及调理模块、高速mouseover="javascript:setVal(\'模数转换\'); companyAdEvent.show(this,\'companyAdDiv\',[5,18])" onmouseout="companyAdEvent.out(\'companyAdDiv\')">模数转换模块、FPGA逻辑控制模块、单片机控制模块、USB数据传输模块、液晶显示和键盘控制等几部分,其结构形式如图1所示。

系统原理结构图

 
图1  系统原理结构图

  输入信号经前置放大及增益可调电路转换后,成为符合A/D转换器要求的输入电压,经A/D转换后的数字信号,由FPGA内的FIFO缓存,再经USB接口传输到计算机中,供后续数据处理,或直接由单片机控制将采集到的信号显示在液晶屏幕上。

  高速数据采集模块

  本系统可实现双通道同步数据采集,而且每通道

的采集速度要达到60Mbit/s,考虑到两路数据采集应保持同步并行,因此在设计中采用每通道都有独自的采样保持器和A/D转换器。选用MAXIM公司MAX1197型A/D转换器,它是一款双通道、3.3V供电、每通道60Mbit/s采样频率的模数转换器芯片。它内部集成双路差分宽带采样保持器和A/D转换器,可以输出锁存,具有低功耗、小尺寸、高动态性能的特点。

  本系统的测量电压的范围可达到±300V,采用示波器探头和电路板上分压的方法将输入信号先进行1:1或10:1或100:1衰减,然后再通过后续电路处理以满足A/D转换器的输入电压范围要求。

  被测信号通过通用探头和分压器得到的输出信号,由于输出阻抗较高,需要经过阻抗变换成为低的输出阻抗,以保持信号的完整性。同时,对于一个系统来讲,过载是不可避免的,在过载情况下,如果没有保护,器件很容易损坏。因此,系统中设计了由二极管和电阻构成的过载保护电路,将输入信号限制在±4.8V的范围之间。对于阻抗变换,选择ADI公司的高性能FET输入单电压反馈放大器AD8065芯片,构成跟随器来实现阻抗变换。经过阻抗变换的信号,还要通过增益调节,在能使输入到A/D转换器的电压满足A/D的输入电压要求,采用模拟开关和宽带精密放大器配合,由模拟开关选通不同的接入电阻值,从而实现不同的放大倍数,达到程控放大的目的。增益调节电路如图2所示,输入保护及阻抗变换电路如图3所示。

增益调节电路

  图2  增益调节电路

输入保护及阻抗变换电路

  图3 输入保护及阻抗变换电路

  FPGA控制单元

  可编程逻辑器件FPGA是一种半定制的ASIC,它允许电路设计者自行编程实现特定应用的功能。本设计采用了原理图输入和VHDL语言输入两种不同的方法,控制单元承载了大部分控制任务,为各个功能模块提供相应的控制信号以确保整个系统工作的正确性。具体实现如下几个方面的功能:

  分频电路及产生A/D转换器的控制信号

  本数据采集系统,具有比较宽的测量范围,在FPGA内部设计了一个分频电路,用来实现针对不同频率的被测信号选择不同的采样频率,确保采集数据更加精确。分频单元采用图形输入方法实现其内部结构图如图4所示。在图4中,利用T触发器在输入为1时,每个时钟沿到来时输出会发生跳变来实现分频的。同时我们可以看出,T触发器的输入是有一些逻辑组合构成的,这就构成了门控时钟。对于门控时钟,仔细分析时钟函数,以避免毛刺的影响。而门控时钟在满足以下两个条件时,则可保证时钟信号不出现危险的毛刺,门控时钟可以像全局时钟一样可靠的工作。

[1] [2] [3]

关键字:数据采集  数字示波器  FPGA

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0720/article_5480.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:如何设置示波器来完美测量抖动
下一篇:智能CAN触发可以按时间和事件进行判定触发

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利
推荐阅读
全部
数据采集
数字示波器
FPGA

小广播

独家专题更多

迎接创新的黄金时代 无创想,不奇迹
迎接创新的黄金时代 无创想,不奇迹
​TE工程师帮助将不可能变成可能,通过技术突破,使世界更加清洁、安全和美好。
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2017 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved