毕业设计（论文）-基于EDA技术的数字示波器的设计Word文档下载推荐.doc
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3.3.1 实时采样电路 9
3.3.2 等精度测频电路 14
3.4 系统的电源电路 17
第四章 系统软件设计 19
4.1 系统软件结构图 19
4.2 FPGA程序设计 19
4.3 采样频率设置子程序 20
4.4 测量频率/占空比子程序 22
4.5 数据采集处理及显示子程序 22
总结 25
致谢 26
参考文献 27
摘要
数字示波器是很常用的测量仪器，它可以用来观察、测量电路中的信号，还可以观察波型的频谱图，计算频率的噪声，是工程师不可缺少的常用工具。
随着电子科技技术的发展和电路的集成化，电路中信号的频率越来越高，因此对电路中波形的测量要求变得更高了，这就需要提高数字示波器的性能了。
现在市面上卖的高端数字示波器价格昂贵，为了满足一般的需求，本文采用FPGA和能到TI网站申请的样片设计本示波器。
本数字示波器的设计综合了EDA技术、FPGA器件的知识，EDA设计技术的主要特征就是采用硬件描述语言来完成设计。
首先，在本文的最开始部分叙述了数字示波器的背景，继而讲解采用EDA方法设计的优势和编译软件的特点，最后讲解EDA的硬件和软件编程。
该示波器硬件编程语言完成底层控制电路程序的功能设计。
设计模块有TFT液晶的显示屏，程控控制电路，时钟电路，显示模块，高速AD转换和电源电路模块，对被测信号采样的实现，通过存储和显示。
本系统对程控放大、波形参数测量以及水平扫速和垂直灵敏度的自动测量进行了重点介绍，设计的频率范围为DC~10M。
最后做出来的实物达到了预期的目的，是一个可以实用的示波器。
关键词：
程控放大、TFT显示、EDA、示波器
ABSTRACT
Digitaloscilloscopeisacommonlyusedmeasuringinstrument,itcanbeusedtoobserve,measuringcircuitofthesignal,canalsoobservethewavetypespectrumdiagram,calculatethefrequencyofthenoise,isindispensabletoengineerfactoryusetools.Withthedevelopmentofelectronictechnologyandintegratedcircuit,thesignalfrequencyofthecircuitishigherandhigher,sothecircuitwaveformmeasurementrequirementbecomesmoreaccurate,itisneedtoimprovetheperformanceofdigitaloscilloscope.Themarketwhichsellhigh-enddigitaloscilloscopeisexpensive,inordertomeettherequirementsofgeneral,thispaperUSESthecheapMCUandcanapplytotheTIwebsiteforplatedesignoftheoscilloscope.
ThisdigitaloscilloscopedesigncombinedtheknowledgeofEDAtechnologyandFPGAdevice,themaincharacteristicsoftheEDAtechnologyistousehardwaredescriptionlanguagetocompletethedesign.First,thispaperintroducesthehistoryofdigitaloscilloscope,andthen,theadvantageofEDAtechnologyisintroduced,andthecharacteristicsofthehardwaredescriptionlanguageandcompilesoftware.Thisoscilloscopeuseshardwaredescriptionlanguagetocompletetheunderlyingcontrolofthesystemandtheimportantfunctionofdesign.Thedifficultyofthedesignisthedesignofthecontrollanguageandthedesignofdatastorage.DesigncontenttheTFTLCDdisplaymodule,SPCcontrolcircuit,theclockcircuit,displaymodule,high-speedADconversionandpowersupplycircuitmodule,fortherealizationofthemeasuredsignalsampling,throughthestorageanddisplay.Thissystemofprogram-controlledamplifier,thewaveformparametermeasurementandautomaticmeasurementofverticalandhorizontalsweepspeedsensitivitywereintroduced,thedesignoffrequencyrangefor0~10MHZ.Thefunctionoftheoscilloscopedesignisbasedonordinaryoscilloscopedesignfrequentlyusedfunctions.Finallymakeproductionreachedtheexpectedpurpose,isapracticaloscilloscope.
Keywords:
Programmableamplifier;
TFTdisplay;
EDA;
andoscilloscope
II
第一章绪论
1.1示波器概况
示波器的研究是现在研究发展的必要，随着元件的发展和技术工艺的提高，出现了很多小型化的，智能的示波器。
今后还会出现虚拟的示波器的仪器。
它将推动现在所有的示波器技术的发展。
现代示波器的原理实际上还是与原来示波器原理是相同的。
示波器可以应用于工业控制、电子电器测量等各种领域的一般测试，当然也应用于高等学校和其他教学组织的教学，为国家培养一批专业化的科技人才。
智能型的示波器的功能的拓展也是在模拟示波器的基本功能上实现的。
他正在向宽带，模块化的多方向发展。
它的强大的功能可以测量很高的信号频率，这样就增加了示波器的带宽。
现在高端的示波器的带宽可以达到15GHz以上了，这是一个相当宽的带宽了。
这个带宽的示波器就可以用来，测量上千百兆的网络电路，通信电路了。
填补了在这方面的测量仪器的不足。
加快了通信领域的发展和建设。
数字示波器设计的核心，就是重点设计采集电路。
研究一台示波器，满足一般需要很有意义。
市面上卖的数字示波器，大多是国外生产的，价格非常贵，国内生产的示波器还处于研究开发的初步阶段，在国民经济落后的中国，价格昂贵的国外示波器问题，使示波器的广泛应用受到了严重的限制，阻碍了我国测量行业和电子技术的发展。
对于我们学生以及广大教学单位来说，只是用到示波器的基本功能，买一个价格昂贵的示波器就不是划算了。
因此，研究一个满足基本功能的示波器就非常有意义了，既提高了学生对示波器原理的理解也拓展了自己的知识面。
因此，我提出了一个便携式数字存储器的设计，它使用FPGA和单片机为控制核心，TFT显示屏。
由程控控制调理电路、缓存电路、高速AD电路组成的基于EDA的示波器。
最后经过实践，做出了一个具有基本示波器的功能以及深入研究发展价值示波器。
在这大学的最后的一个作品，为将学所学的理论运用到现实中，把理论和实际相结合，我选择做出一个实物，它是在EDA的平台下设计一个数字示波器，它有基本的数字示波器的功能。
拓宽了本身专业、行业的知识面，使得此后本身有更多的发展方向。
1.2本示波器主要研究内容
这次我们设计和研究的，是以FPGA和单片机共同控制管理整个系统。
FPGA主要是承担底层电路的设计，单片机主要就是实现人机界面，和显示的控制。
在设计整个系统的过程中，把设计分成程控放大、电源电路、高速AD、缓存等几部分。
运用的知识与本设计相关的技术，就是控制系统与控制的方式。
其中FPGA是采用HDL语言来编写的，单片机的程序就是采用C语言来写的。
首先，制订方案画出模块电路图，做出实物调试，然后把各个模块做到一块板子上调试。
1.3数字示波器在国内外的发展现状
示波器有信号的触发，信号的存储，信号显示的功能，得到工程师的普遍使用。
1972年出现了数字式的示波器后，因为当时的技术元件，数据传输的速度，价格比较等因素的影响，发展的研究的进度缓慢。
到现在数字示波器已经进入了飞速的发展，如果要求不高的话，本示波器可以满足日常所用。
本次所要设计的示波器需要比测量信号频率要高出2倍以上，就能够把信号不丢失的显示到屏幕上了。
在数字示波器中，需要从缓存中取出数据，处理后送到显示屏幕上了。
现在有很多测量设备可以作为示波器。
但是有很多电子工程师不是很看好这些测量设备。
有时候这些测量设备还会误导工程师。
示波器的好处就是要显示出电路中的信号的波形。
它的测量也不受信号频率的限制，不管是高频率的信号，还是低频率的信号。
都能够正确的显示。
模拟的示波器比较好使用，主要是测量高频信号时，能够很清晰的。
显示出信号的外包络。
但是要是要求对信号进行分析还有保存的话。
数字示波器就是很好的选择了。
它能够解决这些所有的问题。
现在的示波器有了比较大的改动。
就是对采用频率有了很大的提高。
现在的示波器测量的。
信号频率比较高，比较古老的数字式的示波器。
采样率过低的话就出现了信号的频率的混叠。
看不清信号的波形。
这样工程师就要腾出大量精力去寻找，电路中出现的问题。
从示波器出现后，到现在。
它都是很重要的，和非常常见的测试工具。
后来随着电子技术和电路集成电路，快速发展。
示波器的功能和性能，技术指标的提高。
它的发展得到了快速的升级。
示波器的，触发使能的功能，与水平方向的扫描位置点有着密切的联系。
它决定了示波器是否能够准确清晰的显示出，信号的波形。
触发的方式有，很多种。
比较常见的有单次触发和连续的触发等等。
在使用中有很多人，使用的是边沿触发的方式，它在某些信号测量领域是很有好处的。
比方说对刚刚设计的产品，进行检查。
边沿的触发方式将信号部分分离出来。
用最大的存储深度和最高的采样频率。
来测量信号的波形。
现在示波器有很多的触发方式，有限定时间的脉冲触发和逻辑状态的、图形方式的脉冲触发。
在测量上，和测试方式上有了非常多的触发方式的灵活性。
1.4EDA技术的发展
这次毕业设计本人使用了EDA方面的知识和技术来，设计与开发。
电子设计自动化，的EDA就是在计算机中来实现整个电子系统的设计。
EDA技术汇集了计算机的知识和微型电子技术的综合技术。
包括了计算机知识的图形，逻辑和拓扑等很多种类计算数学。
和计算机科学的最新研究的成果[1]。
本次采用EDA的技术主要是依靠在计算机上完成数学系统的逻辑关系，电子线路的布局以及硬件的仿真。
设计的工程师还需要完成对整个系统的文档描述。
最后有计算机进行处理得到设计前的技术指标。
EDA的好处就是能够通过编程来修改硬件电路，就相当于修改软件一样方便，这个设计带来了很多的好处。
1.5VHDL硬件语言的简介
这个VHDL的硬件描述性的语言，是1983年美国的国家部门研发组建的。
并且通过了联合国的国家标准，这样，VHDL就成为了硬件编程语言的行业标准之一。
从IEEE发布了VHDL设计环节，各个公司就发出了自己的VHDL设计环境。
对外面宣布自己的研发出来的工具，并且支持VHDL语言。
从这个以后，VHDL语言就在这个行业中得到了大量的应用，使得很多公司对它进行进一步的升级。
就慢慢的淘汰了原来的不是很标准的硬件描述语言。
这个硬件描述语言VHDL是一个非常标准化和国际化的语言，这样随着业界长期的发展，和设计需要，就诞生了这个硬件描述语言。
的仿真器。
刚开始建立VHDL硬件语言的时候就是想用国际化的标准文档，和电路的模拟功能。
其中主要的方法是在比较高的层次上对系统的描述。
和处理元件的关系。
但是在上个世纪年代。
我们发现这个偏向硬件性的VHDL不仅仅可以作为设计系统中。
硬件模拟的设计工具。
同时还可以用作整个电路设计系统的实际电路的编程设计。
用编写VHDL软件的方法。
变化为图形文本的形式。
来表达整个逻辑单元的设计工具。
最后生成网络报表。
就是硬件编程语言的逻辑型的综合器。
把模糊的语句部分变化为实际的具体的电路，产生网络报表[2]。
第二章系统总体方案
这一章主要讲的是对示波器外围电路分析或者说是对整个系统电路，方案可行性的分析。
讲了控制器件的选择问题，还有芯片的介绍。
选定，系统中各个子模块的电路设计饭方案。
设计中要对的是对重点电路的讲解。
2.1示波器组成的总体框图
图2-1数字示波器的系统级框图
2.2系统的设计任务
设计和研究内容：
本系统采用FPGA控制结构，利用FPGA的可在线编程的特点完成数据的采集、存储。
MCU完成人与机器的相连和系统调控。
设计预期达到的目标：
能对被测信好行进集采、存储，被测信号的显示，扫描频率可调，垂直分辨率可调，要求设置多个扫描幅度档位，被测信号的带宽从DC~10M。
设计的实现：
画出原理图和做出PCB硬件板，编写相应的程序，终究调试完成。
2.3示波器实现思路
2.3.1示波器实现方法
用本示波器测量被测信号，首先被测信号经过电阻衰减网络，然后通过缓冲器缓冲进入程控放大电路调整，送入高速AD转换成数字信号存入FPGA中，通过对数字数据的计算处理。
最后显示在TFT屏幕的信号波形。
AD的采集道理事实上通过对缓存的采样。
实现间接对AD的控制。
在对缓存读取数据的过程中，控制器要对缓存禁止写入操作，所以是有一点数据丢失的。
在测量信号时，要根据被测信号的频率设定合适的采样率，设置过低了，很有可能会观察不到波形信号[3]。
2.3.2高速AD转换器
1）ADC的基本分类
ADC的分类有很多种。
可以从速度、输入的方式、采样的速度、数据输出的方式等方面分类。
数据输出的方式分为串行和并行输出的方式。
从功能上分的有逐次比较型，积分型，并行比较型等等。
2）SAR型ADC
关于ASR的模拟，数字转换器。
在使用的时候，要注意它的采样时钟和外围电路的阻抗。
这两个技术指标不能忽视。
如果不注意，忽视的这两个指标，不管是使用，内部集成的转换器，还是外部扩展的，都得不到最优的结果。
通常使用这一类型的转换器，都要在前面加一个放大器，来实现阻抗的匹配。
3）流水线型ADC
这些ADC由于其结构限制，需要多个时钟周期产生一个数据。
致使采样率较低，可是直流精度高，功耗低，在工业界利用普遍。
在每个时钟周期可以是一个数据，随着仿真技术的发展，比较快，每个比较器的直流特性和响应时间，是很难实现的完美匹配，导致精度无法做高[4]。
2.4硬件控制器的方案论证
方案一：
本方案的系统设计。
包含前端电路，信号前端调理，数据的处理，人机界面的显示。
系统选用MCU和CPLD作用系统的中央处理器。
根据在网上的查阅的资料，决定使用高速的，噪声比较低的TI的芯片。
组成的前端调里电路。
来达到高速AD芯片输入的合适的电平信号。
使这个信号的幅度。
能够把AD充分利用起来。
然后还要采用高速的比较器。
来实现一个触发电路。
并且这个电路的电平是可以调节的。
数据存储的缓存电路是由采样电路和高速AD组成的。
他在FPGA的控制的采样时钟下来。
实现采样。
MCU用作整个系统的总的控制器。
它与FPGA里面的双口缓存相连。
最后就实现了对被测信号的采样，保存和数据的处理。
处理得到的数据转变为波形数据，最后在显示出来[5]。
方案二：
这个方案是用MCU和FPGA为主控核心。
设计的输入测量信号是从DC~10MHz。
首先经过电阻的组成的衰减电路，经过这几个衰减网络时还要对它进行高频补偿，才能使测量信号的频率在高频时。
保证被正确无误的采集。
这个衰减网络一共设计有3个档位。
在进入缓冲电路，实现前级和后级的相等的，阻抗匹配。
经过信号的调理电路后，送入由非门组成的放大器和施密特触发器。
对信号进行修整。
使它变为数字脉冲信号。
之后送入PFGA计算测频。
整理后的信号还要经过AD采样。
在这里我选用的高速AD是用TI的830芯片。
它是一个8位的ADC。
其最高支持的采样率为60MHz。
采样出来的数据信号就是信号的幅度值的数字量数据。
这个时候也要实现调节触发电平的控制。
调节触发电位器的电压，达到调节触发电平的程控的目的。
经过采样所得到的幅度数字量，存入FPGA的内部的双口缓存器中。
存入后经过波形数据，处理模块计算处理后传送给显示屏幕显示出波形来。
系统的设置的固定采样频率为40KHz。
这整个系统能够实现连续触发的显示还有单次触发显示，并能实现波形的存储于回放[6]。
方案三：
本设计方案采用的是“双核的方案”即采用两个CPU。
包括的电路模块有，前端电路，自动调节信号的电路，缓存电路和显示等。
所选用的单片机是AVR的单片机。
采用AD603作为控制放大调整电路的AGC电路的芯片，通过控制数模转化器产生的直流电压来调节信号的放大（衰减）倍数，使被测信号的幅度满足AD控制转化器的输入，由于AVR单片机速度的限制所以采用IDT7204作为缓存，来缓冲MCU与TFT显示。
综合考虑，要使示波器便于携带，价格便宜，能满足普通的测试的设计理念，最后，决定选择方案二。
2.5示波器实时性的采样与等效采样
2.5.1实时采样
实时采用的意思就是说在规定的时间范围内对信号进行采样。
即是有周期采样。
然后把周期性采样的数字点。
按照一定的时间顺序，简单的排列。
最后得到一个波形数据组。
我们根据来奎斯特采样的知识。
采样的频率要在信号频率的2倍或者以上。
就能够通过数据的处理，还原信号在屏幕上显示出来。
现在的成品示波器一般采样率都在测量频率的4到10倍的样子。
还要用到内插的算法。
采用内插法，可以减小对系统采样率的要求。
实时性的采样方法，他对系统的硬件和软件要求比较低。
可以恢复任意信号。
系统的采样速度越高，它对高速AD本身的转换速度和变化的精度。
也就越高[7]。
2.5.2等效采样
等效采样的方式有很多种。
工程应用上一般分为顺序的采集与随机的采样。
顺序的采集。
它能够对输入的信号，精确的测量。
但是现在市面上出现的示波器都是采用的，是随机的采样。
等效采样的方式。
可以用相对较低的时钟采样率，来换取测量高的输入信号的频率。
要注意的是使用等效采样。
输入的信号一定是要以周期性的出现，才能够准确测量信号频率。
为了让原来的信号，这个信号是指输入的信号，恢复成能够。
使时钟信号在每个周期内等效的，等间隔的。
取出信号的样本。
之后再将在多个周期采样的，样本值综合到一个周期内。
就能够达到等价于，一个周期内采样的效果。
这样提高了测量的精度[8]。
2.6存储器的选择和水平移动扩展显示
本次设计选用的存储器。
是采用FPGA内部的资源，这样减少了外部资源的扩展，简化了电路的设计。
存储器有很多种，但从结构上来讲，有两种。
有双端口的存储器RAM和普通的RAM也叫SRAM。
其中双端口的RAM可以进行读或者写操作。
编写程序起来比较复杂。
它的价格也比较贵。
而SRAM是很普遍使用的存储器。
使用起来也很方面。
市场价格也很便宜。
这个缓存器FIFO的生成通过对程序的编写就能够得到的。
因为FPGA有内部的嵌入式阵列块，所以我们直接到编程环境中设计就能够得到缓存器FIFO。
这种做法既提高了系统可靠性，又降低了成本[9]。
水平移动显示的方法，就是信号在采集的时候就已经将数据存储增加了两倍。
这样在显示的时候，只需要恢复一半的数据的模拟量就能够显示出来了。
2.7输入被测信号的处理
信号进入前端采集后。
开始要对进来的信号，进行在信号幅度大小线性的处理。
使它信号的幅度在AD转换器的输入范围内。
被测信号输入到DOS时要经过前段处理才能输送给ADC，ADC输入端口一般有电压幅度的限制，超过这个值就可能损坏ADC。
所以输入测量信号。
根据不同档位的垂直灵敏度的选择做出调整，也就是说小信号放大，信号衰减到ADC的输入电压范围。
要实现这个目标就要。
根据信号输入的幅度的不同来调整大小。
这个办法用手动的调节肯定是不现实的。
我们就要选择用电压来控制放大或者是衰减的倍数。
即是电压控制的放大芯片603。
我们把整个电路叫做采用AGC电路。
在这个电路中。
要考虑，在理论上放大器的增益。
和带宽是互相牵制的。
是一个矛盾。
同时，要防止被测信号的幅度过大烧坏ADC，要在ADC的输入端口加入限幅电路[10]。
2.8示波器信号的采集和缓存
在本示波器中，AD转换电路在指定采样时钟的控制下把被测信号转换为数字信号，供给控制器读取。
ADC参数的选取要考虑到很多技术指标。
设计中，尽量选择具有比较高的采样率的ADC。
因为这个指标，决定了整个示波器设计的最高的。
信号采样率。
同时也决定了所测量的信号的最高频率。
也就是测量带宽。
反映到示波器的界面也就是水平扫描速率。
而ADC的编码位数与y轴方向的分辨率相关。
根据这两个技术指标我们选定了TI公司提供的ADS830E。
数据信号保存到缓存，内存的位数必须基于ADC转换器的数量选择。
内存的多少来确定每个采集点的能力，以及相关的垂直分辨率。
存储进RAM中的数据来自于ADC，经过控制器读出来在显示到TFT屏幕上。
第三章系统硬件设计
本数字示波器的设计在做方案论证的同时也把电路做出来调试了一遍，采用了模块化的设计方法，把比较繁琐的系统电路分解成单个模块进行制作调试，最后选出一个最优的模块电路。
经过筛选出来的模块电路最后做到一个板子上面，成为一个完整的系统
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