基于FPGA的简易可存储示波器设计

2012-07-20 14:34:59来源: 21ic

  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。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
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

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。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
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 © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved