基于FPGA的虛擬DPO設計方案

　　項目概述

　　1.1項目背景

　　示波器（Oscilloscope）是一種能夠顯示電壓信號動態波形的電子測量儀器。它能夠將時變的電壓信號轉換為時域上的曲線，原來不可見的電氣信號，轉換為在二維平面上直觀可見光信號，由此能夠分析電氣信號的時域性質。

　　目前，全球主要的示波器生產廠商都集中在美國，而高端示波器更是被美國Tektronix公司、Agilent公司和LeCory公司所壟斷。如Agilent公司的高性能90000系列Infiniium示波器在4個通道上均達到40-GSPS采樣率，并同時提供超低噪聲的13 GHz全實時示波器帶寬，存儲深度也達到了1Gpts。

　　而國內方面，由于在高速模數轉換器和專用集成電路方面與發達國家的差距，市場上同類示波器的最高采樣率、模擬帶寬和存儲深度等主要指標還落后很多。本課題是開發具有自主知識產權的數字熒光示波器的采集與存儲系統。為高性能采集存儲技術積累開發經驗。同時填補我國數字熒光示波器的空白以及縮小與國外同類示波器發展水平的差距。

　　1.2數字熒光示波器

　　數字熒光示波器（DPO）是Tektronix公司推出的一種示波器平臺，它具有數字存儲示波器的各種傳統優點，如數據存儲和先進的觸發功能等。同時，它也具有模擬實時示波器的明暗顯示和實時特性，能以數字形式產生顯示效果優于模擬示波器的亮度漸次變化的熒光效果。其結構如圖1所示。

　　圖1 數字熒光示波器原理框圖

　　數字存儲示波器因需要微處器理顯示數據，導致在顯示兩幅波形之間有一定毫秒級的停滯時間；模擬示波器在回掃時間內也不能捕捉波形信息。而DPO的數據采集和顯示模塊并行運行，使得DPO能夠在處理顯示數據的同時，繼續采集信號數據。同時，與DSO不同的是，DPO是在連續進行多次采集與處理后再進行一次顯示。由于DPO一般采用專用硬件電路進行采集波形的數字熒光處理，不再受限于微處理器對數據的低速處理，使得波形的更新率有了質的提高。所以DPO能夠連續不斷得捕捉波形的絕大部分細節，可以完整的反映波形信息，同時也為后續的分析處理提供了完整的數據。如圖2所示。

　　數字熒光顯示技術的應用使DPO能以不同的亮度或色彩顯示信號在某一特定位置出現的頻率，頻率越高，則亮度越高。數字熒光處理器一般由專用的硬件電路（高速FPGA或ASIC）構成。與DSO一樣，輸入信號首先經放大和A/D變換后得到信號的采樣值，采樣值經過數字熒光處理單元的處理后形成一幅包含波形三維信息的完整波形圖，在不中斷采集過程的情況下，數字熒光處理單元每秒向波形顯存儲器傳輸約30幅完整的具有熒光顯示效果的波形圖像，在微處理器的控制下，將波形圖像顯示在示波器的熒光屏上，達到模擬示波器的熒光顯示效果。與此同時，微處理器可以并行方式執行自動測量及運算等各種功能。

　　圖2數字熒光示波器采集示意圖

　　DPO每秒鐘捕獲的波形數可以高達到幾十萬幀，比一般的DSO高幾千倍甚至上萬倍。這種快速波形捕獲速率結合超強的顯示能力，使DPO具有分析信號任何細節的性能。同時由于采用了數字處理，又具備數字存儲示波器的優點。

　　1.3項目特點

　　本項目的數字熒光示波器（DPO,DigitalPhosphor Oscilloscope）是最新一代的示波器，它集成了數字存儲示波器和模擬示波器的優點，既有數字存儲示波器的波形存儲，瞬態捕獲，負延時觸發和高級觸發等功能，又有模擬示波器的實時捕獲，高波形更新率和亮度漸次變化的顯示效果等特性。

　　利用FPGA豐富的邏輯資源和強大的數據處理能力，在FPGA模塊中實現主要的DPX模塊，即數字熒光處理模塊，同時，利用USB接口將處理后的數據傳到PC機處理，利用PC機進行進一步的分析處理與顯示。由于采用FPGA設計，系統的復雜度大為降低，也方便升級與更新，同時，可通過USB口對FPGA模塊進行供電，極大的方便了工程師的調試，使該DPO具有很好的便攜性。

　　總體方案設計與論證

　　虛擬數字熒光示波器可以簡單描述為這樣一個系統：用戶通過PC機菜單設定采集觸發參數，示波器根據用戶的設定采集數據，并將采集到的數據做數字熒光處理，生成波形圖像經DPX處理后經USB傳送到PC機最后在液晶屏上顯示出來，同時，采集到的數據還可以做進一步的分析處理。因此，示波器可以分成兩大部分，一部分負責監控命令和波形、菜單的顯示；另一部分負責高速數據采集和數字熒光成像。