基于SOPC技術的虛擬示波器設計

引言

　　模擬示波器由于無法高效地觀察實驗結果、數據處理功能弱等缺點，已逐漸被數字示波器所取代，但數字示波器價格昂貴。虛擬儀器是在通用計算機平臺上，用戶利用軟件根據自已的需求定義設計儀器的測量功能，其可以大大拓展傳統儀器的功能，降低儀器成本，并可通過軟件實現數據的復雜分析、運算和海量存儲等功能。LabWindows/CVI是1種常用的虛擬儀器設計軟件，為用戶提供了功能強大的虛擬儀器系統開發(fā)平臺。為此，本文以LabWindows/CVI為開發(fā)平臺，利用FPGA中嵌入的NiosⅡ軟核構成的SOPC系統，設計一種雙通道虛擬示波器，以達到一般傳統示波器的性能指標。

　　1 虛擬示波器硬件電路設計

　　1.1 虛擬示波器數據采集通道電路設計

　　為減少虛擬示波器對被測電路的影響，要求虛擬示波器數據采集通道的輸入阻抗在1MΩ以上，因此必須設計合適的衰減器和可控增益的放大器。虛擬示波器數據采集通道的原理方框圖如圖1所示。圖1中，虛擬示波器的2個通道完全對稱，且相互獨立。從探頭進來的信號經過衰減網絡，獲得合適的信號強度，進行AD/DC切換開關后，送到可控增益放大器，將不同幅度的信號放大為幅度大致相同的信號，經高速A/D轉換獲得兩路獨立的數字信號，同時觸發(fā)電路完成觸發(fā)功能，使波形能夠平穩(wěn)地顯示。

　　1.1.1 衰減與AD/DC轉換電路

　　圖2為虛擬示波器的衰減與AD/DC轉換電路圖。

　　圖2中，R1、R2、R3、C1 和R4、C2組成1：10的分壓網絡，通過CPU控制三極管Q1、Q2 和繼電器K1、K2 分別控制進行1/10的衰減與AD/DC切換控制。

　　1.1.2 可控增益放大器

　　虛擬示波器需設計寬范圍可調節(jié)的增益放大電路器，以實現10mV～±200V范圍內的輸入電壓采樣。本系統采用模擬多路器切換運放的反饋電阻，以達到改變增益的目的，其電路圖如圖3所示。

　　圖3中，U1內部包含兩通道JFET高輸入阻抗的運放，前級為跟隨器，以滿足示波器的高輸入阻抗要求，第2級為可控增益放大器，由模擬多路器和運放共同構成。

　　1.1.3 A/D轉換電路

　　虛擬示波器的A/D 轉換器采用Linear 公司的LTC2289，它的采樣頻率可達80MHz，有2個獨立通道，可選內部參考或外部參考。本文選用內部參考。

　　1.2 虛擬示波器信息處理部分硬件設計

　　虛擬示波器信息處理部分主要包括FPGA 系統和USB通信部分，其組成方框圖如圖4所示。

　　圖4中，虛擬示波器模擬輸入通道的模擬信號經A/D轉換后獲得數字信號，經過1個數據緩沖器輸入到FPGA，FPGA通過邏輯電路和NiosⅡ管理將數據進行存儲、上傳等。SRAM用于緩存采樣數據；FLASH用于存儲NiosⅡ應用程序，并實現系統上電時將程序加載至SDRAM中。

　　系統選擇的USB接口芯片CY7C68001為USB2.0標準控制器，其可工作在高速或全速狀態(tài)，支持4個可配置共享4KB　FIFO空間的端點，并具有一個標準8位或16位主機接口，非常適合做高速USB接口。