基于DSP的双通道数字存储示波器

2013-09-28 09:50:07来源: 互联网

1.引言

  数字存储示波器有别于一般的模拟示波器,它是将采集到的模拟电压信号转换为数字信号,由内部的微处理器进行分析、处理、存储、显示或打印等操作。这类示波器通常具有程控和遥控能力,通过GPIO接口还可将数据传输到计算机等外部设备进行分析处理。随着大规模集成电路的不断发展,功能强大的DSP数字信号处理器的实时性越来越强。DSP凭借其强大的数字信号处理能力,为数字示波器数据采集系统的实现提供了一个可靠而又实用的平台,并且提高了数字存储示波器的采样速率、存储深度、波形捕获能力等指标。

  本文描述的数字存储示波卡是一种基于DSP的双通道数字存储示波器。该示波器采用的是TI公司的 TMS320F2812芯片,它具有高速的数字信号处理能力和滤波功能以及实时、大容量波形存储、快速的信号处理等特性。并且本数字存储示波器具有便携、操作简单、精确度高、采样速率大等优点。

  2.总体设计

  数字示波器主要由前端稳压处理电路、AD转换电路、集成于FPGA芯片的NIOS系统及各种控制电路和SDRAM、各种键盘和LCD接口等组成。其中DSP芯片作为后端处理的核心使用的是TI公司的TMS320F2812.它是32位定点DSP芯片,内含128K*64位的片内Flash存储器18K*16位的数据/程序存储器以及4K*16位的Boot Rom,FPGA芯片作为前端采集控制处理器,使用的是Altera公司的EP2C5Q208,它是Cyclone系列的一款低成本FPGA芯片拥有多达 119808bit的内部RAM,4608个逻辑单元,支持Altera公司的NIOSII及SOPC,可满足设计要求。

  如图1所示,被测信号首先从通道1或通道2,由于两个通道接收到的模拟信号的幅值处于不稳定状态,必须经过调理电路处理成A/D转换电路可以接收的电压范围,否则会引起非常严重的后果。A/D转换电路可以把调理后的模拟信号经过采样、保持、量化、编码等过程后转换成数字信号,在S D R A M控制器的作用下送入F P G A芯片。在FPGA内置的NIOS的总体控制下,利用内部的FIFO进行缓冲和相应的数据处理。

  在本设计中,DSP是整个示波卡数据处理和显示的核心,进行主要的数据处理,并且输出处理结果和相应的控制信号。FPGA在DSP发出的控制信号的作用下进行工作。DSP是一种高速的数字信号处理器,经过FPGA处理并保存于缓冲存储器中的数据,在 DSP控制信号作用下,将数据送入SDRAM中的原始缓冲区中。再经过DSP各种差值和滤波等算法的处理后,送入示波卡的显示缓冲区,用于在LCD屏上的波形显示。

  2.1 前端调理电路和A/D采样的设计

  一般A / D芯片允许输入的电压幅度都是固定的(-0.5v~+0.5v),由各种信号的衰减和放大以及电压偏置网络组成的预处理电路,负责把前端接收到的不稳定的模拟信号经过方法和衰减之后,稳定在允许输入的电压范围内。总体来说,前端预处理电路由两部分组成,一是由继电器和RC共同组成的衰减网络,既可以避免信号的失真又可以方便数字存储示波卡的基准调节;二是由两片运放AD8008组成的阻容匹配网络和驱动放大电路。AD8008是具有双通道、高性能、电流反馈型放大器,其具有超低失真和噪声特性,带宽为650MHz,并且具有宽电源电压范围(5V~12V)。

  数据采集的核心是A/D转换功能。虽然DSP芯片本身具有A/D转换的功能,但是为了提高其工作速度,本设计采用两片AD9288完成模数转换的工作。在采样时钟的控制下,构成180度相位差,满足200MS/s采样速率。

  AD9288是一款双核8位单芯片采样模数转换器,内置片内采样保持电路,具有低成本、低功耗、小尺寸和易于使用等特性。AD9288采用100MSPS转换速率工作,在整个工作范围内都具有出色的动态性能。AD9288的输出为二进制码,送入 FPGA存储模块后,可直接存储。每个通道均可以独立工作,最高可达475MHz模拟带宽,可以使双通道并行工作。

  2.2 触发电路

  触发电路是信号采集系统的重要功能电路,其基本功能是提供一个稳定的触发相位点,用作水平扫描时基的时间参考零点,使波形在显示屏上稳定显示。本采集电路设计实现了一个周期和被测信号相关的触发脉冲信号,控制ADC数据采集。

  触发电路的核心部件是高速电平比较器,本采集电路中选用的是AD96685芯片和LT1713芯片。触发电路如图3所示。TrigLevel信号是迭加了源信号低频分量的比较电平,Ref是参考电位,Trig Source信号是被触发的源信号。通过改变Trig Level信号的电平值,实现触发电平的调节。通过LT1713比较整形后输出一对ECL差分时钟TrigP和TrigNP,再经过电平转换后送入 FPGA内触发器。

  2.3 供电电路的设计

  数字存储示波卡的电源主要分三部分,一部分给高速A/D转换器供电,第二部分给FPGA供电,第三部分是给DSP芯片供电。考虑到成本和实用性等因素,使用比较常见的可调电源LM1117为A/D转换器和FPGA供电。

  A/D转换器需要的额定供电电压是+3.3V,单片A/D转换器在正常工作的情况下的功率是 689mV,故耗费的电流在210mA左右,LM1117的额定供电电流800mA,使用两片可较好满足要求。FPGA供电分为内核供电和IO端口供电。内核供电电压为1.2V,由LM1117供电;IO端口可以进行包括1.5V、1.8V、2.5V、3.0V和3.3V等多种配置,其电源也同样由 LM1117来提供。示波卡的运算放大器和场效应管等器件所需的负电压则由LM2991来提供。LM2991是输出可调低压差稳压器,输出电压调节范围为 -2V至-25V(输出电流为1A)。

  DSP需要工作在更稳定的电压下,在示波卡的设计中用到了由TI公司生产的双电压输出芯片 TPS70151.该芯片可以同时提供两路不同的电压,并且可以通过人为控制去改变上电顺序。如图4所示,两路输入VIN1和VIN2都被接到 VDD5,VOUT1和VOUT2输出3.3V和1.8V.SEQ可以用来控制上电顺序,接地说明被置为低电平,那么VOUT1先输出3.3V,直到 VOUT1输出电压达到2.7V左右时,VOUT2才开始有输出电压。MR1和MR2被用来人为的设置输入电压1和输入电压2,可用于控制RESET的输出电平,当两个引脚的任何一个输入电平为低时,那么RESET输出低电平。其他的控制端与DSP芯片连接,那么我们可以通过在DSP中编写C语言程序的方式达到对电源电压的控制。

  2.4 LCD显示的设计

  在本设计中,采用的LCD是FY43-4827-65K,具有480*272的高分辨率的彩色 TFT显示屏。采用16位标准8080总线接口方式、色彩支持65536色使图像。超高的24MHz无等待总线读写速度,单点读写周期高达42ns,无需任何等待,可以和任何高速系统接口。独有显存更新窗口设定功能,用户可任意指定读写区域。

  对缓冲区的较高要求,示波卡需要对系统内存进行扩展,所以加入SDRAM作为显示缓冲区,用于存储临时数据、中间结果。

  LCD以ILI9320为控制器,ILI9230具有统一的时序逻辑(如图5所示)和非常丰富的指令编码,支持MSP430、51、DSP、FPGA等系列CPU.根据LCD控制器中不同的指令编码和DSP中的数据端口定义,还可以自行设计对LCD的控制指令和编程方式,实现对LCD屏上显示位置、显示内容以及色彩的组合控制。

  如图6所示,DSP通过数据总线与SDRAM的数据交换,把处理后的数据送入显示缓冲区中。同时DSP也可以通过控制总线向ILI9230发送指令,使其从SDRAM中读取数据,并送入LCD显示,这样就完成了一个显示的过程。

  

  

  3.结束语

  本文采用DSP与FPGA相互配合的方案,设计出了一种嵌入式数字存储示波器。在无操作系统的情况下,实现波形处理和显示以及键盘控制,提高了CPU的运行效率。在本方案中,FPGA作为前端的电路逻辑控制的核心,并做前期的一些数据处理;而DSP做作为本设计中整个系统的核心,示波器的滤波、差值过程以及显示和控制功能均在DSP芯片上完成,数字存储示波器的实时反映速度得到提高。通过实际的测试和使用,该示波器已基本达到了初期的设计要求,各项性能也达到了预定指标。

关键字:DSP  双通道  数字存储  示波器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0928/article_19505.html
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