基于FPGA的数字存储 oscilloscope

简介：
本项目设计并实现了一种基于FPGA技术的数字存储示波器。通过高速数据采集与处理，该设备能够实时显示电信号，并支持数据分析和回放功能，为电子电路测试提供了高效工具。 ### 基于FPGA的数字存储示波器的关键技术解析 #### 一、概述 随着信息技术的发展，数字示波器已成为现代电子工程领域不可或缺的测量工具之一。它不仅可以捕捉和显示电信号波形，还能提供精确的测量数据。本段落介绍了一种基于FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）技术的数字存储示波器设计方案。该方案通过FPGA实现了高效的等效采样机制，显著提高了示波器的工作带宽。 #### 二、系统组成与工作原理 ##### 1. 系统组成 数字示波器主要由四个模块构成： - **程控放大电路**：用于调整输入信号的幅度，使其适应AD转换器的输入范围。 - **采样保持电路**：在信号被AD转换之前，保持信号在一个稳定的状态，确保采样的准确性。 - **高速数据采集**：通过AD转换器将模拟信号转换为数字信号，并存储在FPGA内部的RAM中。 - **示波显示调理**：负责将存储的数据转化为可视化的波形图像。 ##### 2. 工作原理 - **等效采样技术**：对于高频信号，示波器不能直接进行实时采样，而是采用等效采样技术来捕获完整的波形。该方法通过在每个信号周期内采集一个样本点并逐渐移动采样时刻实现。这使得示波器能够在较低的采样率下重建高频信号的完整波形。 - **FPGA控制核心**：FPGA不仅控制整个系统的操作流程，还通过内置锁相环（PLL）产生所需的时钟信号，用于等效采样的控制和采样时刻的精确调整。 #### 三、关键技术分析 ##### 1. 等效采样分析 等效时间采样包括顺序采样和随机重复采样两种方式。在本设计中采用了顺序采样方法，通过步进延迟的方式在每个周期内采集一个点，逐步移动采样时刻以捕获整个波形的信息。例如，在200MHz的等效采样率下，每次采样的时间间隔为5ns。 ##### 2. 垂直灵敏度 垂直灵敏度是指示波器能准确显示信号幅度的能力。本段落中的设计要求垂直灵敏度达到1Vdiv、0.1Vdiv以及部分应用需要实现2mVdiv的精度。这些参数通过调整AD转换器的参考电压和放大电路的增益来控制。 ##### 3. 扫描速度 扫描速度指的是示波器能够显示信号的时间跨度。本设计中，扫描速度分为多个档位，以满足不同频率信号测量的需求。例如，对于低频信号可以采用较高的扫描速度（如20msdiv），而对于高频信号则需要较低的扫描速度来确保波形完整。 #### 四、方案比较与选择 在设计过程中考虑了三种不同的等效采样实现方案： - **方案1**：阶梯波比较触发。这种方法通过比较信号和分频锯齿波产生的脉冲序列进行采样，但在波形恢复中可能导致失真。 - **方案2**：DDS芯片高精度相位控制。利用DDS芯片产生高精度的采样信号以提高精确度，但由于频率控制字稳定性问题增加了设计难度。 - **方案3**：FPGA内部倍频。通过FPGA内置锁相环对20MHz信号进行倍频得到200MHz时钟信号实现稳定的等效采样。最终选择了该方案因其简单且可靠。 #### 五、结论 基于FPGA的数字存储示波器是一种高效且灵活的测量工具，利用合理的模块设计和等效采样技术的应用可以在较宽频率范围内进行准确的信号测量。此外，FPGA灵活性使得设计方案可以根据具体应用需求定制化调整，提高了实用性和适应性。