基于FPGA控制VGA显示的多通道数字示波器的设计

摘要：为了实现对0～1 MHz的信号进行测量以及显示的目的，制作了基于SOPC技术的VGA显示数字存储示波器。采用硬件与软件相配合的设计方法，主要模块有基于FPGA的最小系统模块、信号调理电路模块、AD采样模块、触发电路模块、VGA显示模块、4×4矩阵键盘模块和RAM存储以及FLASH存储模块。具有模拟信号可进行任意电平触发、数字信号可使用上升沿和下降沿触发、存储回放、垂直灵敏度档位设置、扫描速度档位设置、VGA显示多个界面等特点。通过波形测量实验，得到较好的显示波形。
关键词：FPGA；数字示波器；A／D采样；VGA显示

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。