基于FPGA的数字示波器设计

　　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。模拟示波器使用前需要进行校正，使用比较麻烦；而数字示波器，由于受核心控制芯片的影响，对输入信号的频率有严格的限制。基于FPGA的数字示波器，其核心芯片可达到50万门，配合高速外围电路，可以测量频率为1 MHz的信号，有效地克服了以往示波器的不足。

　　1 系统方案设计

　　设计的数字示波器系统主要使用了Xilinx系统的开发环境，并在此环境内部建立了AD采样控制模块、键盘控制模块、VGA显示模块等多个模块，从很大程度上减少了硬件电路的搭建，也因此提高了系统的稳定性和可靠性，系统框图如图1所示。

　　另外，设计使用XPS将32位的MicroBlaze微处理器嵌入到了FPGA中，实现了可编程片的嵌入以及在可编程片上的系统设计。MieroBlaze通过LBM总线访问片上的存储模块BlockRAM，然后通过OPB总线上挂接外设进行接口连接和驱动。

　　VGA显示部分采用双缓冲机制进行工作，在FPGA内部建立RAM，按照一定时序降RAM内的缓存数据映射到VGA显示屏上。

　　2 硬件设计

　　2.1 信号调理电路模块

　　信号调理电路模块，对输入的模拟信号进行处理，由于输入电压幅度为-2.5～+2.5 V之间，而后一级的AD模块采用了12位的高速A／D转换芯片ADS804，只能对0～2 V的电压进行模／数转换，故需要将输入电压先抬升为0～5 V，在应用运算放大器进行比例缩小，达到0～2 V的模数转换要求。

　　2.2 A／D转换电路

　　A／D转换模块采用存储采样数据的并行数据处理方法，这样可以使硬件电路得到最大程度的简化，同时也提高了系统的稳定性。AD部分的采样，选用实时采样技术。能够捕获到单个信号。采样速率为10 MHz，即在最高频率1 MHz时，实时采样可以在每周期采10个点以保证取到一个完整的信号波形。

　　2.3 触发电路模块

　　触发电路模块属于外触发，对模拟信号实现任意电平触发，该模块采用电压比较器来实现单次触发。

　　2.4 存储模块

　　存储模块包括内存储和外存储两部分，使用外部电路进行搭建的为外存储，内存储在软件部分进行说明。

　　外部非易失性存储器模块采用存储容量为16 KB的E2PROM芯片24C128，该芯片作为手动存储的存储介质，从而实现掉电不丢失的设计目的。

　　2.5 VGA显示模块

　　VGA显示模块是建于FPGA内的双缓冲机制，由嵌入的MicroBlaze软核进行控制，能够进行多个页面间的切换。另外，每个界面，可以实现中文信息、彩色通道和所测输入波形的显示，并可控制显示内容的显示颜色。

　　2.6 键盘模块

　　4×4矩阵键盘模块实现人机交互。

　　通过键盘，可以对示波器的数字通道、模拟通道、混合通道、存储、回放、波形左移、波形右移等功能进行选择。

　　3 基于FPGA的软件设计

　　FPGA的硬件主要包括：触发电路模块、数字信号发生模块、存储模块、键盘模块、VGA显示模块等5个部分，软件流程图如图2所示。