基于fpga的简易手持式示波器设计

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1、基于FPGA的简易手持式示波器设计　　摘要本文设计的简易手持式示波器是基于FPGA应用技术，以PCF8951为数据采集前端。通过内建RAM进行对采集数据的存储以及波形的显示。利用有限状态机实现对不同状态之间的转换，最后显示在ST7735液晶显示屏上。本设计最大的特点是所用器件都为低功耗、低成本、小体积的器件，能够实现手持式设计。通过在开发板上的测试结果表明，该设计能够实现示波器的基本功能，且大大降低成本及减少体积。　　【关键词】FPGA示波器PCF8591有限状态机　　示波器是一种应用十分广泛的电子测量仪器，能够方便地测量各种不同的波形。但是传统的模拟示波器具有体积大、成本高、携带不方便

2、等缺点，因而使得许多电子实验限制在了实验室中进行。由于这种局限性推动了示波器朝着微型化、简单化、廉价化的方向发展。对于精度要求不是特别高的情况下，生产出一款便携手持式的低成本数字示波器将会有很大的需求和市场价值。由此本文提出一种简单手持式示波器设计方案，基于FPGA应用技术，实现了对信号的实时显示，以及具有调节扫描速度和垂直灵敏度的功能。本设计方案均采用体积小、成本低的元器件进行设计，在保证一定精度的前提下大大减小体积以及降低成本。在简易的电子实验中此设计能够发挥重要的作用。　　1系统设计　　数字示波器是由取样存储、系统控制和读出显示三大部分组成，它们之间通过数据总线、地址总线、和控制总

3、线相互联系和交换信息，以完成各种测量功本次设计采用莱迪思LCMX02-4000HC芯片，通过将外部输入模?M信号经过PCF8591芯片进行A/D转换，将转换后的数据根据旋转编码器EC11设定的触发条件以及采样频率，筛选出符合条件的数据，之后将数据送入RAM中保存。当RAM存满后，状态切换至读RAM状态，通过对ST7735显示屏的初始化以及对RAM中数据的适当操作后，将信息呈现至屏幕上，以实现示波器的基本功能。此外，还设置了复位按键以实现示波器的复位功能。本次设计主要包括FPGA逻辑控制模块、A＼D数模转换模块、触发条件及采样频率调节模块、RAM的读写控制模块、液晶显示模块图1所示，为本次

4、设计的总体示意图。　　1.1A/D转换模块　　由于本设计旨在设计低成本、便携式示波器，对转换速度、转换精度要求相对降低，故采用8位串行输出A/D转换芯片进行A/D转换模块。综合对各A/D转换芯片的比较后，本设计采用恩智浦半导体公司生产的具有8位CMOS数模转换芯片PCF8591以实现对输入信号的采样。该芯片们具有单独供电、低功耗的特点，在2.5V～6V的工作电压内，采样速率取决于I2C总线的速度，在标准速度下可达100kbps，能够实现本设计对采样速度的要求。此外，它同时具有4路模拟输入端及1路输出端，可编程为单端或差分输入，3个地址引脚A0、A1和A2用于编辑硬件的地址，允许同时将多个

5、器件接至总线本设计中采用超小型SOP-16贴片式封装以减少器件所用面积，有利于实现便携式携带的要求。综合以上特点，该芯片适用于本次关于简易手持式示波器的设计，能满足各项指标要求。A/D转换模块程序的编写，主要采用设计有限状态机（FSM），通过对不同状态的计数，实现在初始化、开始、写指令、读数据、结束状态之间的转换。图2所示为A/D转换模块的原理图，其中模拟信号的输入，通过连接母座以送入芯片模拟输入端。　　1.2触发条件及频率调节模块　　考虑到输入信号频率及幅值的不同，在本设计中可以实现对采样频率以及触发条件的改变。鉴于旋转操作的简易性，本设计采用ALPS常用金属轴编码器EC11实现对采集

6、频率以及触发幅值的调节，通过对编码器的左右旋转实现增大与缩小的功能。EC11编码器属于小型高精度旋转式编码器，15脉冲30定位，20脉冲20定位的高分辨率，适用于微小电流回路的电子设备其上还带有0.5mm按压开关，在本设计中用于切换采样频率调节模式和触发调节模式。　　频率调节通过旋转编码器的左右旋转，改变采样计数值的大小，以实现频率的改变。以计数标志cnt_sample为例，初始设定cnt_sample为5，即每5个采样点放进一次RAM当中用以之后显示。当左旋一次后，设定cnt_sample自加1，则每6个采样点放进RAM当中，右旋反之，由此实现了示波器采样频率的增大。　　触发幅值调节通

7、过旋转编码器的左右旋转，改变触发边界条件的大小，从而实现对不同信号触发条件的改变。以幅值为1.5V的正弦波为例，若触发条件设置为2V，则始终无法达到触发条件，可以通过旋转编码器改变触发条件，以获取完整的信号波形。同时为避免始终无波形显示的情况，本设计中通过设定计数环节，若连续16次未有满足触发条件的信号，则设置为已满足触发条件，实现对波形的显示。此外，触发条件的设置，还具有稳定波形的作用，由于A/D转换时时进行，若要保证波形的稳定以