基于小脚丫FPGA学习模块制作简易的数字示波器

电子月

示波器是电子工程师的眼镜，它同万用表、信号发生器、电源一起号称工程师四大件。随着技术的发展，当前使用的几乎所有的示波器都是数字示波器，其核心就是将被测量的模拟信号通过高速的A/D变换器变换成数字信号，在显示屏幕上以时域波形的方式显示出来。不同价位的示波器主要差别在于取样频率、波形的存储深度以及内置的数字信号处理功能。


图1 通用的数字波器

为了更深入地掌握示波器的工作原理，我们在本项目中采用串行ADC对模拟信号进行量化，通过FPGA内部的存储器进行采样数据的缓冲，再通过LCD将波形显示出来。


项目要求：

• 基于小脚丫FPGA学习模块＋串行ADC＋LCD显示制作简易的数字示波器
• 显示屏128*64，SPI接口
• 通过按键控制波形的左右移、放大、缩小
• 采样频率>1Msps
• 被测模拟信号幅度0-3.3V
• 存储深度：1KByte
• 能够测量频率和幅度并在LCD屏上以文本的方式显示出来
• 具有直流电平触发功能，触发电平可以在0-3.3V之间进行调节
  

实现原理:
一个典型的商用示波器（以普通的双通道数字示波器为例），从电路角度主要有如下几个部分：

• 最核心的部分 － 模／数转换（ADC）：这部分的功能负责将待测的模拟信号进行量化，转换成数字信号，在数字域进行处理。ADC主要的指标有三个
  

           ○ 转换率 － 根据奈奎斯特定律，ADC的转换速率至少需要达到被测模拟信号带宽的2倍以上，为了更好地重现被量化的波形，一般选择的ADC的转换率是被测量的模拟信号最高带宽的5倍以上。比如被测的模拟信号最高带宽为100MHz，我们可以采用500Msps的ADC进行量化
           ○ 分辨率 － ADC的分辨率（ADC的位数）越高，量化误差越低，转换到数字域以后的被测信号的信噪比越高
           ○ 模拟带宽 － ADC内部模拟部分的带宽
           ○ 模拟信号调理 － 能够测试几mV到几十V、带宽从DC到100MHz的交流或直流的模拟电压信号，因此需要模拟信号调理电路，以保证信号带宽的前提下，能够实现所需要的被测信号的动态范围
           ○ 数字信号处理 －将高速采集到的数据通过逻辑控制存储到FIFO或其它机制的存储器中，由微处理器部分根据需要进行调用处理，一般数字示波器的触发机制也可以通过数字逻辑来实现，以简化外围的模拟电路的设计并且可以获得更大的灵活性。这部分功能一般都会使用FPGA来实现，现在的FPGA内部有丰富的逻辑、存储控制、时钟产生及控制、各种电平接口资源等等
           ○ 微处理器部分 － 处理键盘／编码器输入、波形显示输出以及网络通信等
           ○ 电源 － 提供以上电路所需要的各组电源，比如模拟电路所需要的＋／－12V供电电压；数字电路接口所需要的＋3.3V电压；MCU以及FPGA所需要的内核电压（1.5V、1.2V或更低），电源电路的设计要满足系统的功能、性能、转换效率、散热等各方面的要求




图2 双通道示波器的典型构成框图

在我们的训练中，我们通过一个简化的系统尽可能地理解示波器的基本原理、基本电路构成以及关键的技术指标的来历，主要做了如下简化：

• 被测信号简化为0-3.3V，带宽为DC－20KHz（音频信号的频率范围）的直流耦合的信号，因此在学习板上没有模拟信号调理电路部分，直接将待测的模拟信号送给ADC的输入端
• 只支持一个通道
• 采用串行ADC：8位精度、1Msps转换速率、SPI串行数据接口
• 存储深度 － 1KByte，通过FPGA内部的块RAM来实现
• LCD显示：128*160分辨率的图形化LCD屏
• 控制按键：上、下、左、右
• 触发 － 在FPGA内部实现
  

图3 用小脚丫FPGA模块和串行ADC、串行LCD屏构成的简单示波器方框图

图4是我们基于小脚丫／扩展板上做成的简易示波器的实物图，可以看到LCD屏上显示的正弦波波形，改变输入端的信号大小、频率，可以看到LCD屏上的信号幅度和间隔会发生相应的变化

图4 用小脚丫FPGA做的简易示波器实物

掌握的技能:
示波器的工作原理，尤其是各项技术指标的意义
串行ADC的使用
SPI接口
FIFO的使用
触发的工作原理 － 数字比较器
LCD显示波形
频率及幅度的计算

columbus2016

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columbus2016

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zhanghanyu2019

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