基于FPGA的虚拟DPO设计

　　项目概述

　　1.1项目背景

　　示波器(Oscilloscope)是一种能够显示电压信号动态波形的电子测量仪器。它能够将时变的电压信号转换为时域上的曲线，原来不可见的电气信号,转换为在二维平面上直观可见光信号，由此能够分析电气信号的时域性质。

　　目前，全球主要的示波器生产厂商都集中在美国，而高端示波器更是被美国Tektronix公司、Agilent公司和LeCory公司所垄断。如Agilent公司的高性能90000系列Infiniium示波器在4个通道上均达到40-GSPS采样率，并同时提供超低噪声的13 GHz全实时示波器带宽，存储深度也达到了1Gpts。

　　而国内方面，由于在高速模数转换器和专用集成电路方面与发达国家的差距，市场上同类示波器的最高采样率、模拟带宽和存储深度等主要指标还落后很多。本课题是开发具有自主知识产权的数字荧光示波器的采集与存储系统。为高性能采集存储技术积累开发经验。同时填补我国数字荧光示波器的空白以及缩小与国外同类示波器发展水平的差距。

　　1.2数字荧光示波器

　　数字荧光示波器(DPO)是Tektronix公司推出的一种示波器平台，它具有数字存储示波器的各种传统优点，如数据存储和先进的触发功能等。同时，它也具有模拟实时示波器的明暗显示和实时特性，能以数字形式产生显示效果优于模拟示波器的亮度渐次变化的荧光效果。其结构如图1所示。

　　数字存储示波器因需要微处器理显示数据，导致在显示两幅波形之间有一定毫秒级的停滞时间;模拟示波器在回扫时间内也不能捕捉波形信息。而DPO的数据采集和显示模块并行运行，使得DPO能够在处理显示数据的同时，继续采集信号数据。同时，与DSO不同的是，DPO是在连续进行多次采集与处理后再进行一次显示。由于DPO一般采用专用硬件电路进行采集波形的数字荧光处理，不再受限于微处理器对数据的低速处理，使得波形的更新率有了质的提高。所以DPO能够连续不断得捕捉波形的绝大部分细节，可以完整的反映波形信息，同时也为后续的分析处理提供了完整的数据。如图2所示。

　　数字荧光显示技术的应用使DPO能以不同的亮度或色彩显示信号在某一特定位置出现的频率，频率越高，则亮度越高。数字荧光处理器一般由专用的硬件电路(高速FPGA或ASIC)构成。与DSO一样，输入信号首先经放大和A/D变换后得到信号的采样值，采样值经过数字荧光处理单元的处理后形成一幅包含波形三维信息的完整波形图，在不中断采集过程的情况下，数字荧光处理单元每秒向波形显存储器传输约30幅完整的具有荧光显示效果的波形图像，在微处理器的控制下，将波形图像显示在示波器的荧光屏上，达到模拟示波器的荧光显示效果。与此同时，微处理器可以并行方式执行自动测量及运算等各种功能。

　　DPO每秒钟捕获的波形数可以高达到几十万帧，比一般的DSO高几千倍甚至上万倍。这种快速波形捕获速率结合超强的显示能力，使DPO具有分析信号任何细节的性能。同时由于采用了数字处理，又具备数字存储示波器的优点。

　　1.3项目特点

　　本项目的数字荧光示波器(DPO，Digital Phosphor Oscilloscope)是最新一代的示波器，它集成了数字存储示波器和模拟示波器的优点，既有数字存储示波器的波形存储，瞬态捕获，负延时触发和高级触发等功能，又有模拟示波器的实时捕获，高波形更新率和亮度渐次变化的显示效果等特性。

　　利用FPGA丰富的逻辑资源和强大的数据处理能力，在FPGA模块中实现主要的DPX模块，即数字荧光处理模块，同时，利用USB接口将处理后的数据传到PC机处理，利用PC机进行进一步的分析处理与显示。由于采用FPGA设计，系统的复杂度大为降低，也方便升级与更新，同时，可通过USB口对FPGA模块进行供电，极大的方便了工程师的调试，使该DPO具有很好的便携性。

　　总体方案设计与论证

　　虚拟数字荧光示波器可以简单描述为这样一个系统：用户通过PC机菜单设定采集触发参数，示波器根据用户的设定采集数据，并将采集到的数据做数字荧光处理，生成波形图像经DPX处理后经USB传送到PC机最后在液晶屏上显示出来，同时，采集到的数据还可以做进一步的分析处理。因此，示波器可以分成两大部分，一部分负责监控命令和波形、菜单的显示;另一部分负责高速数据采集和数字荧光成像。

　　2.1总体框图

　　根据上述分析，制定以下设计方案：该示波器采用FPGA架构，FPGA作为系统控制核心负责监控PC机上发送过来的按键命令并根据当前的工作状态发送相应的采集控制命令给采集模块，同时还控制着数字荧光处理模块生成的波形图像和控制菜单，另一方面，由于其高速的特点，用于实现高速数据采集系统以及数字荧光处理器。整体实现框图如图3所示。其中模数转换器、时钟电路和FPGA共同构成了示波器的采集系统，FPGA内部实现DPX模块，最后通过USB上传到PC机处理显示。

　　2.2信号调理电路

　　信号调理电路主要由衰减放大电路、耦合控制电路和直流偏置电路组成，由FPGA控制。

　　衰减放大电路调整输入波形的幅度范围，把不同幅度的信号进行衰减或放大以适应屏幕的显示范围，便于观察和测量。

　　耦合控制电路控制输入信号的耦合方式，分别为交流耦合和直流耦合，在直流耦合方式时，信号的所有分量(交流和直流)都被采集显示出来，而在交流耦合方式时，信号的直流分量被阻断，只有交流分量被采集显示出来。

　　直流偏置电路给信号加入直流分量，可以控制信号在屏幕中上下移动。另外，示波器的输入阻抗和模拟带宽也由信号调理电路所决定。在本项目中，信号调理电路的输入阻抗为50欧姆和1M欧姆可选。模拟带宽为500MHz。

　　2.3数据采集系统

　　数据采集系统由到模数转换器(Analog Digital Convertor, ADC)、时钟芯片和FPGA中相关采集控制模块组成。

　　2.3.1模数转换

　　本设计选用e2v公司的AT84AD001B模数转换器。其接口如图4所示。该ADC为并行比较结构，速度快，但功耗大。其将两路ADC集成在一个芯片中，每路ADC最高采样率达1GHz，量化精度八比特，另外该芯片还支持交织采样的功能，即同一芯片中的两路ADC同时采集同一路模拟信号，并且其采样时钟相位相反，将这两路ADC的抽样数据拼接起来可获得2GSPS的最高采样率。AT84AD001B的主要特性如下：

　　双路ADC，每通道采样率1GSPS，交织采样模式下可达2GSPS;

　　输出编码为格雷码和二进制编码可选，支持1：1和1：2复用输出;

　　支持模拟输入切换选择，采样时钟选择;

　　支持增益控制和零电平调节;

　　采样率1GSPS时误比特率不超过

　　串行配置工作模式，源同步时钟数据输出;