基于fpga的数字示波器

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1、论文题目：基于FPGA的数字示波器1.摘要32.原理33.系统方案对比及分析43.1.以FPGA来实现整个系统43.2.采用DSP与FPGA来实现整个系统43.3.采用FPGA与单片机来实现整个系统44.系统设计方案45.系统框图56.系统技术指标57.AD模块简介58.频率测量模块及方案比较68.1.测周期法68.2.测频率法68.3.方法选择及使用68.4.Verilog设计结构89.数据处理模块810.FIFO存储模块810.1.FIFO_1910.2.FIFO_2911.NiosII软核模块912.VGA显示1013.系统软件

2、构架设计1213.NiosII软件实现1214.1.DMA传输1214.2.1.PIO中断1414.系统的测试和分析1415.总结2216.参考文献221.摘要随着信息技术的发展，对信号的测量技术要求越来越高，示波器的使用越来越广泛。数字示波器是模拟示波器技术、数字化测量技术、计算机技术的综合产物，他主要以微处理器、数字存储器、A/D转换器和D/A转换器为核心，输入信号首先经A/D转换器转换成数字信号，然后存储在RAM中，需要时再将RAM中的内容读出，经D/A转换器恢复为模拟信号显示在示波器上，或者通过接口与计算机相连对存储的信号作进

3、一步处理，这样可大大改进显示特性，增强功能，便于控制和智能化。这种数字示波器中看到的波形是由采集到的数据经过重构后得到的波形，而不是加到输入端上信号的波形。设计提出一个经过优化的数据采集方法，辅以FPGA为主控制器和必备的外围电路完成了基于FPGA的数字存储示波器的设计。系统最大限度地利用了FPGA的高速数字信号处理能力以及众多硬核和软核内嵌的特性，降低了成本和开发难度，且性能优良。2.原理数字示波器具有存储数据的能力，数字存储就是在示波器中以数字编码的形式来贮存信号。当信号进入数字存储示波器，或称DSO以后，在信号到达CRT的偏转电

4、路之前，示波器将按一定的时间间隔对信号电压进行采样。然后用一个模/数变换器（ADC）对这些采样值进行变换从而生成代表每一个采样电压的二进制字。这个过程称为数字化。获得的二进制数值贮存在存储器中，对输入信号进行采样的速率称为采样速率。采样速率由采样时钟控制。对于一般使用情况来说，采样速率的范围从每秒20兆次（20MS/s）到200MS/s。存储器中贮存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形。所以，在DSO中的输入信号接头和示波器CRT之间的电路不只是仅有模拟电路。输入信号的波形在CRT上获得显示之前先要存贮到存储器中，我们在示波器屏幕上

5、看到的波形总是由所采集到数据重建的波形，而不是输入连接端上所加信号的直接波形显示。示波器原理框图如下：3.系统方案对比及分析3.1.以FPGA来实现整个系统以可编程器件FPGA为主控来实现整个系统，设计时电路相对简洁，因为FPGA的可编程性适用于模块化设计，内部集成大量电路模块，如A/D转换器，锁相环，甚至有些FPGA内部嵌入ARM相关处理器，DSP模块，电源模块，所以FPGA可以实现DSP相关算法，可以做大量运算，并且它的处理速度由于其并行性，在协调多个模块的工作时候非常方便，控制能力强。在整个数值示波器的设置中，通过采样数据然后存

6、储，再做相应的数据处理，执行相关任务，完全可以实现示波器的基本功能，设计可行性非常高。辅助一些外围电路模块，基本能实现设计期望达到的功能和参数。3.2.采用DSP与FPGA来实现整个系统采用DSP和FPGA开发起来比较灵活，升级也容易，通用性强，在以FPGA为主控的同时辅以DSP作为信号处理，提高系统的效率。但是DSP在与外围电路接口的时候，比如说LCD显示和键盘进行通信时候，因为DSP速度非常快，而LCD显示器和键盘电路比较慢，会造成资源浪费。3.3.采用FPGA与单片机来实现整个系统采用FPGA与单片机来实现，主要是利用单片机进行

7、一些外部接口的监控，对键盘电路和显示电路实时更新，减轻FPGA主控的任务。且单片机控制比较简单，现在大多单片机内设比较丰富，能很好地胜任工作。但是这里使用单片机进行控制，增加了一些额外开销，且单片机任务比较简单，而且不多，本身FPGA集成一些内核可以进行比普通单片机更快的处理，再另外使用单片机有点多余。综上，直接采用FPGA为主控芯片，资源足够丰富，就能很好地满足设计需求，不需要再多的控制器，因此直接选用方案一。4.系统设计方案当信号进入数字存储示波器时，首先对信号进行前置处理，然后将按一定的时间间隔对信号电压进行采样，之后对这些采样

8、值进行数字化，即通过AD转换器变换得到代表每一个实际电压的二进制数字，进一步把这些数字贮存在存储器中，最终根据数字大小按一定比例把每一个采样点重现在显示器上，这样就能看到清晰的波形。整个系统由高速采样电路、FIFO存储器