【正文】 里把信號經(jīng)過前端調(diào)理電路之后，分成二路，一路直接送到 AD里面去進行模數(shù)轉換，另外一路直接就送到 AD9698比較器中進行信號的整形，這里 AD9698是一種過零比較器。 常州信息職業(yè)技術學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 15 圖 55 MAX4105放大電路 信號整形電路設計 信號的整形主要是為了示波器在自動測頻的時候，把被測信號變成標準的矩形波。首先要求放大器對輸入信號的失真小，增益穩(wěn)定，輸入電阻大，頻帶也要足夠寬。同時還要保證放大后的信號值在 (512mV+512mV)范圍之內(nèi)。 圖 54 衰減仿真 信號放大電路 如果輸入到 P1端的被測量信號很微弱的話。另外在衰減電路和放大電路中間 還有一個模擬開關 ，用來進行交直流選擇。它工作的信號頻帶寬，可以控制直流到 300MHz的信號?？紤]到信號輸入的頻帶寬度。信號輸入最大為 50V，經(jīng)過 100倍衰減以后將變成 ，剛好在 AD轉換的電壓范圍之內(nèi)。 圖 52 信號衰減電路 本系統(tǒng)所設計的電壓衰減網(wǎng)絡主要是由電阻和電容所組成。使得信號衰減可以在一個大的頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)信號衰減。比如在我們的 示波器探頭中就可能存在一個可調(diào)電容，通過調(diào)節(jié)它使得我們的電橋達到一種最佳狀態(tài)。這種無源阻容網(wǎng)絡由于信號的頻率特性，比如說在低頻的時候就直接表現(xiàn)為電阻分壓比，在高頻的時候就為電抗的分壓得到信號的衰減。通常情況下，如果輸入進來的被測信號的電壓范圍超過 AD轉換的電壓范圍時，就要對信號衰減，這種衰減電路我們必須考慮輸入信號的頻率高低。下面分別來進行介紹。 然后按照被測信號的走向依次對圖中的每個部分中的每一個硬 件模塊進行介紹，主要介紹各模塊的功能、工作原理、實現(xiàn)方法，以及具體實現(xiàn)的電路圖。這樣對于前端調(diào)理電路來說，就會碰到動態(tài)范圍、寬頻的挑戰(zhàn)。本系統(tǒng)所選擇的元件如表 43所示。在這里你選擇的元件的時候要根據(jù)自 器件的選擇的總的指導原則是性價比高、市場上容易買到。在調(diào)試的時候同時我們也設計了兩 常州信息職業(yè)技術學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 11 個 JATG接口，分別用來對 FPGA和 DSP進行調(diào)試。 RAM模塊是數(shù)據(jù)存儲器，整個系統(tǒng)運行的時候，首先 DSP利用已經(jīng)固化在 ROM中的 BOOT程序把 FLASH中的程序搬到 RAM中運行。隨著寫時鐘的到來， FFIO存滿之后， DSP處理器就從 FIFO中讀取數(shù)據(jù)來進行處理，處理之后就由 DSP送到單片機中進行顯示。比如這里選用的 FPGA里面就有 5K的 RAM資源供用戶選擇。這樣示 波器就能根據(jù)用戶鍵盤中設置的相關參數(shù)選用想要的讀寫時鐘。 AD的采樣率使它恒定為 1OOM/S。而后端的單片機主要負責系統(tǒng)的人機接口和數(shù)據(jù)顯示。 DSP主要負責把采集的數(shù)據(jù)進行處理。 FPGA要控制前端數(shù)據(jù)通道，對采集到的數(shù)據(jù)緩存，而且還要使數(shù)據(jù)緩存單元和 DSP處理器進行通信，這在整個系統(tǒng)中具有重要的地位。 常州信息職業(yè)技術學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 10 圖 42 系統(tǒng)的整體設計框圖 實現(xiàn)方案的介紹 從圖 ，整個硬件平臺和其他的數(shù)字存儲示波器一樣也是采用模塊化設計的方式，整個系統(tǒng)基本上是由三大部分模塊組成：它們分別為數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分和數(shù)據(jù)顯示部分。同時單片機也可以讀取鍵盤中的數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送給 DSP芯片，進而去控制相關的電路。在本方案中，把 LCD和鍵盤處理電路全 部交給單片機進行管理。本設計就采用這個架構。然后處理器從存儲器中讀出數(shù)據(jù)，直接以數(shù)字信號 (顯示器為液晶的時候 )的形式，送到相應的顯示器中進行顯示波形。但整個系統(tǒng)集成起來的調(diào)試工作還沒有進行。并且對硬件電路進行了調(diào)試。采用的芯片也是盡量采用比較容易在市場上買到的和相對便宜的。故將設計目標定位于帶寬在 100M左右的數(shù)字存儲示波器。 圖 41給出了系統(tǒng)的整體設計流程。分別調(diào)試完成之后，就進行系統(tǒng)的集成。這樣在完成系統(tǒng)的軟件和硬件之后。這之后，就可以進行軟硬件設計了。方案確定之后，就要設計這個系統(tǒng)的具體性能指標。 系統(tǒng)整體設計流程圖 開始設計一個系統(tǒng)的時候，第一步是撰寫整個系統(tǒng)的方案。本章主要介紹示波器系統(tǒng)整體的設計流程，系統(tǒng)整體性能參數(shù)以及最終方案的確定。而驗證的話就需要用戶花費大量的時間去完 成。 ⑥ 生成 SOF等文件，此文件可以通過調(diào)試器把它下載到系統(tǒng)中間去。使仿真既包含門延時，又 包含線延時信息。此時應該使用 FPGA廠商提供的實現(xiàn)與布局布線工具，根據(jù)所選芯片的型號，進行芯片內(nèi)部功能單元的實際連接與映射。 ③ 綜合，綜合就是行為或者功能層次表達的電子系統(tǒng)轉換成低層次門級電路的網(wǎng)表。在功能上面來了解電路是否能夠達到預期要求。它是利用這些輸入去描述一個電路的功能。 FPGA使用靈活，適用性強，特別適用于復雜邏輯的設計，有利用電子系統(tǒng)小型化，而且其開發(fā)周期短、開發(fā)投入少、芯片價格不斷降低，促使 FPGA越來越多地取代了 ASIC的市場。 FPGA 發(fā)展歷程及現(xiàn)狀 從 Xilinx公司推出了世界上第一片 FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯芯片 )， FPGA已經(jīng) 常州信息職業(yè)技術學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 7 歷幾十年的發(fā)展。調(diào)試正確之后就可以把代碼寫入到 Flash里面了。如果是 C語言程序，首先是 C語言編譯器將程序編譯成匯編語言源程序，然后送到匯編器里面進行匯編，匯編后產(chǎn)生 COEF格式的目標代碼，再用連接器進行連接，生成 DSP上可以執(zhí)行的 COEF格式的目標代碼。同時可以縮短開發(fā)周期。開發(fā)過程的時候，所有程序都是從硬件調(diào)試到初始化程序和應用程序都在 CCS中進行開發(fā)。操作系統(tǒng)的使用可以在一定程度上縮短開發(fā)周期，但是操作系統(tǒng)對于實時性很高的場合來說就不一定合適。同時 DSP 的價格也大幅度下降，使得 DSP 芯片不僅在高端的通信、計算機領域大顯身手，而且在低端的家用電器等方面 DSP 也是應用越來越廣泛。 90 年代相繼出現(xiàn)了第四代和第五代 DSP 器件。再加上 CMOS 工藝的誕生，使得 DSP 芯片的集成度性能都得到空前的提高 ，其存儲容量和運算速度也成倍提高，其應用范圍逐步擴大到通信、計算機領域。 DSP 處理器發(fā)展歷程以及發(fā)展現(xiàn)狀 DSP 發(fā)展歷程大致分為三個階段： 70 年代理論先行，大概在 70 年具備了完整的 DSP 的理論和算 法基礎。它把編譯、匯編、鏈接等工具集成在一起，用一條命令即 可完成全部的匯編工作。 目前各 DSP 芯片生產(chǎn)廠家已經(jīng)把以上列出的各開發(fā)工具集成在一起 ,構成集成開發(fā)環(huán)境。其中典型的如 TMS320C4X 和 SDSP2106X，它們可以通過通信口和全局總線插座，將若干個模塊 安裝在母板上，方便地組成多處理器系統(tǒng)。 本章主要是針對 DSP、 FPGA 的發(fā)展情況和開發(fā)流出作簡要的介紹。 FPGA的使用非常靈活，同一片 FPGA 通過不同的編程數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生不同的電路功能。 FPGA 是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。 圖 22 數(shù)字示波器工作原理框圖 常州信息職業(yè)技術學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 5 第 3 章 DSP 處理器和 FPGA 的開發(fā)過程簡介 DSP 在數(shù)字圖像處理，音頻信號處理等方面有著非常廣泛的應用。等效采樣又可以分為隨機采樣和順序采樣 , 等效采樣方式大多用于測量周期信號。數(shù) 字存儲示波器可以采用實時采樣 , 每隔一個采樣周期采樣一次 , 可以觀察非周期信號川。 最后 , 該示波器根據(jù)得到的信號參數(shù)繪制信號波形 , 并對被測信號進行實時、 瞬態(tài)分析 , 以方便用戶了解信號質(zhì)量 , 快速準確地進行故障診斷。該示波器首先對模擬信號進行高速采樣以獲得相應的數(shù)字 數(shù)據(jù)并存儲 , 存儲器中儲存的數(shù)據(jù)用來在示波器的屏幕上重建信號波形 。 圖 21 模擬示波器體系結構圖 數(shù)字 (存儲 )示波器的工作原理 數(shù)字存儲示波器不是將波形存儲在示波管內(nèi)的存儲柵網(wǎng)上 , 而是存在存儲 常州信息職業(yè)技術學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 4 器中 , 因而存儲時間可以無限長。許多快速移動的亮點融合到一起，形成實心的線條。水平掃描是水平系統(tǒng)亮點在屏幕中移動的行為。電壓作用于這些垂直偏轉板，引起亮點在屏幕中移動 。設置垂直標度（對伏特 / 格進行控制）后，衰減器能夠減小信號的電壓，而放大器可以增加信號電壓。當電子束水平掃過顯示器時，信號的電壓是 電子束發(fā)生上下偏轉，跟蹤波形直接反映到屏幕上。示波器屏幕通常是陰極射線管（ CRT）。下面對這兩種示波器的工作原理作簡要的介紹。 常州信息職業(yè)技術學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 3 第 2 章 示波器的工作原理 示波器的工作原理 了解示波器的工作原理是設計好示波器的第一步。包括示波器的帶寬、存儲深度，尤其是存儲深度有待進一步提高，同時 DSP的存儲器容量也有待提高。 本課題是一個龐大的系統(tǒng)，其實踐性很強，涉及知識非常多，受限于時 間 和個人的知識水平，尚存在以下不足之處需要以后加強。本文只是完成了硬件平臺的部分驅動程序。在軟件方面，由于示波器的軟件量是非常龐大的。 本文已經(jīng)完成了示波器硬件平臺的搭建，對前端模擬電路的某些部分做了一下改進，觸發(fā)電路部分拋棄了傳統(tǒng)的模擬觸發(fā)方式，采用了全數(shù)字化的觸發(fā)方式。 本文的目的是采用 FPGA+DSP+單片機來設計一個 100M(重復帶寬 )的數(shù)字示波器。本文進行了底層硬件平臺的研究設計、少量的軟件驅動程序的設計和示波器的常用算法的研究工作。也是兩款技術非常成熟的芯片。 FPGA是復雜可編程邏輯器件，它具有速度快、穩(wěn)定性高、設計靈活和價格低廉等許多優(yōu)點 。并被廣泛應用于各種嵌入式領域。通過與高校實驗室的技術與科研的交流與合作，加強研發(fā)團隊的科研水平，進一步提高產(chǎn)品的競爭力。盡管我國國產(chǎn)示波器 處于起步階段。面對這樣的行業(yè)需求，所以國內(nèi)示波器生產(chǎn)企業(yè)把產(chǎn)品性能設定在 20MHz 帶寬、100MSa／ s 采樣率。雖然，從市場需要來看， 20MHz 帶寬的數(shù)字存儲示波器產(chǎn)品在市場中占有很大的比例。在 2020 年下半 年推出幾種新型數(shù)字存儲示波器，其中 600MHz 和 1GHz 兩種帶寬的示波器采用了安捷倫最新一代 MegaZoom 專利技術，具有最深的存儲器和最多的集成通道數(shù)以及業(yè)內(nèi)領先的波形觀察能力。更新速度也更快。這樣，輸入信號變化，立即就可以看到顯示的變化。九十年代之后，示波器技術得到了飛速發(fā)展。本章主要對示波器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和本文所做的研究工作做簡要的介紹?？梢愿鶕?jù)自己的需要進行相關的改進，例如對外圍電路做進一步地擴展。然后把 AD轉換 后的數(shù)據(jù)送到 FPGA中，并把數(shù)據(jù)保存到 FPGA中的 FIFO中， FPGA中的電路主要包括有FIFO、觸發(fā)系統(tǒng)、峰值檢測、時基電路等。信號進來首先經(jīng)過前端的調(diào)節(jié)電路把信號電壓調(diào)整到 AD的輸入電壓范圍之內(nèi)，這里調(diào)節(jié)電路主要是由信號衰減電路和信號放大電路所組成。 從各個方面考慮，選用了 DSP、 FPGA和單片機的方案來設計整個系統(tǒng)。 五、指導教師意見： 指導教師簽名： 2020 年 5 月 10 日 六、系部意見： 系主任簽名： 2020 年 5 月 11 日 常州信息職業(yè)技術學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 目錄 摘要 Abstract 第 1 章 前言 ………………………… …………… ……… … …………… … .1 數(shù)字存儲示波器的發(fā)展概況 … ………………………… … …… ………. 1 本文所做的研究工作 ……………………………………… ……………. 1 第 2 章 示波器的工作原理 ……………………………… …… ……… ..3 模擬示波器的基本工作原理 ……………………………… ……………. 3 數(shù)字存儲示波器的 工作原理 ……………………… … …… ……………. 4 第 3 章 DSP 處理器和 FPGA 的開發(fā)過程簡介 ………… …… … ..5 DSP 處理器的開發(fā)過程和應用 …………………………… … ………….. 5 FPGA 的開發(fā)過程與應用 ……………… ………………… … … ………. 6 第 4 章 整體設計方案 ………………………………… … ………… …… .8 系統(tǒng)整體設計流程圖 …………………………………… … ……………. 8 整個系統(tǒng)的性能指標 …………………………………… … ……………. 9 系統(tǒng)的實現(xiàn)方案 ………………………………………