基于FPGA的簡易數字存儲示波器設計

0 引言
高速數字化采集技術和FPGA技術的發展已經對傳統測試儀器產生了深刻的影響。數字存儲示波器(DS0)是模擬示波器技術、數字化測量技術、計算機技術的綜合產物，他主要以微處理器、數字存儲器、A／D轉換器和D／A轉換器為核心，輸入信號首先經A／D轉換器轉換成數字信號，然后存儲在RAM中，需要時再將RAM中的內容讀出，經D／A轉換器恢復為模擬信號顯示在示波器上，或者通過接口與計算機相連對存儲的信號作進一步處理，這樣可大大改進顯示特性，增強功能，便于控制和智能化。這種DSO中看到的波形是由采集到的數據經過重構后得到的波形，而不是加到輸入端上信號的波形。本文采用基于FPGA的方式進行數據采集、數據處理等功能的設計。這種設計方案在高速數據采集上具有很多優點，如體積小、功耗低、時鐘頻率高、內部延時小、全部控制邏輯由硬件完成等，另外編程配置靈活、開發周期短、利用硬件描述語言來編程，可實現程序的并行執行，這將會大大提高系統的性能，有利于在系統設計和現場運行后對系統進行修改、調試、升級等。

1 系統實現方案
根據設計指標要求，基于FPGA的系統結構如圖1所示，主要由模數轉換、數模轉換、FPGA數據處理、數據存儲四部分組成。由垂直分辨率大于或等于32點／div可知A／D、D／A轉換器至少8位，系統選用AD976(16位A／D轉換器)和AD669(16位D／A轉換器)，由于受PLC I／0口數量的影響，AD976和DA669使用其中13位，RAM選HM6264(64k)，時鐘采用125kHz，PLC選用EPFl0K10LC84一3。模擬信號通過A／D轉換器將信號輸入給FPGA，FPGA根據相關指令進行數據存儲至RAM或將數據從RAM讀出送給D／A轉換器轉換成模擬信號輸出。

2 系統主要電路
系統中FPGA數據處理模塊將A／D輸入、RAM數據存儲和D／A輸出連接在一起，實現信號的傳遞、存儲等控制。輸入電路中A／D轉換芯片選用AD公司的AD976，它是16位高速，高精度A／D轉換器，最大采集率為100kSPS，輸入信號范圍為一10～+10V，R／C為讀數／轉換控制端，CS為片選端，電路連接如圖2所示。

數據存儲器HM6264是64k的靜態SRAM，8位I／0公共輸入／出線，13位地址線，三態輸出。地址有效條件是／CSl=0，CS2=ln／WE=0，／OE=1執行寫操作；／WE=1，／OE=O執行讀操作。電路連接如圖3所示。

輸出電路中D／A轉換芯片AD669也是AD公司推出的16位高速，高精度D／A轉換器，具有高性價比，電路連接如圖4所示。