基于FPGA的数字示波器

　　高速数字化采样技术和FPGA技术的发展对传统测试仪器的体系结构，包括传统测量方法、传统仪器的定义和分类等都产生深刻的影响。伴随数字技术的发展，数字示波器展现了其强大的功能：智能捕获、参数分析、时频等变换处理、超大规模数据波形存储以及数据上网共享等。与传统模拟示波器相比，数字示波器不仅具有可存储波形，体积小，功耗低，使用方便等优点，而且还具有强大的信号实时处理分析功能。

　　1 系统组成

　　设计的数字示波器总体框图如图1所示。

　　系统主要包括信号调理模块、A/D转换模块、控制器模块、时钟产生模块、触发电路、数据缓存模块、数据快速处理模块、输入模块及显示模块。控制器模块由MSP430单片机组成，用来控制信号调理模块和A/D转换模块以及按键输入;时钟产生模块、数据缓存模块，数据快速处理模块这三个部分在FPGA内部完成;数据快速处理模块是由基于FPGA的SoPC来完成的，同时SoPC还控制TFT液晶的显示。

　　2 系统理论分析及硬件实现

　　2.1 信号调理模块

　　信号调理电路包括衰减网络、电压跟随电路、程控放大电路和直流偏置电路等。信号调理电路框图如图2所示。

　　为了保证输入信号在AD芯片的参考电压范围内，当大信号输入时，必须通过衰减网络对其进行衰减，以满足A/D采集电路的电压要求。通过电阻网络分压实现信号的衰减，衰减倍数有1/2和1/20两种，通过单片机控制继电器(TQ2-5)，实现对两种衰减倍数的切换;另外，电容网络是进行相位补偿，通过可调电容可以实现相位的补偿。电压跟随电路作为隔离级，可减小后级电路对前级电路的影响。电压跟随电路由TI公司的OPA656构成，OPA656是宽带单位增益稳定FET输入运算放大器。

　　程控放大电路由程控增益芯片AD603和双通道串口数/模转换器TLV5638组成。单片机通过控制TLV5638的通道A产生高精度模拟电压，用于调节AD603的放大倍数。直流偏置电路中，单片机控制TLV5638，使其OUTB引脚输出一个直流电压，该电压经过NE5532组成的等比例反向器后接到OPA656的反向输入端，可以通过这个电压来确定OPA656的输出，反映到屏幕上是波形的中线位置。如果液晶显示的波形偏下或者偏上，可以调节TLV5638的B端输出来调节。

　　2.2 采样分析及A/D数据采集电路

　　对于信号的采样分为两种方法，实时采样和等效采样。实时取样对波形进行等时间间隔取样，按照取样先后的次序进行A/D转换，并存入存储器中。等效时间取样方式是先采用“取样技术”，将周期性的高频信号变换成波形与其相似的周期性低频信号，然后再做进一步的处理，因而可以比较容易地获得很宽的频带宽度。但等效时间取样仅限于处理重复性的周期信号。图3是实时采样和等效采样的对比。