基于DSP的數字存儲示波卡的設計方案

1.引言

數字存儲示波器有別于一般的模擬示波器，它是將采集到的模擬電壓信號轉換為數字信號，由內部的微處理器進行分析、處理、存儲、顯示或打印等操作。這類示波器通常具有程控和遙控能力，通過GPIO接口還可將數據傳輸到計算機等外部設備進行分析處理。隨著大規模集成電路的不斷發展，功能強大的DSP數字信號處理器的實時性越來越強。DSP憑借其強大的數字信號處理能力，為數字示波器的數據采集系統的實現提供了一個可靠而又實用的平臺，并且提高了數字存儲示波器的采樣速率、存儲深度、波形捕獲能力等指標。

本文描述的數字存儲示波卡是一種基于DSP的雙通道數字存儲示波器。該示波器采用的是TI公司的TMS320F2812芯片，它具有高速的數字信號處理能力和濾波功能以及實時、大容量波形存儲、快速的信號處理等特性。并且本數字存儲示波器具有便攜、操作簡單、精確度高、采樣速率大等優點。

2.總體設計

數字示波器主要由前端穩壓處理電路、AD轉換電路、集成于FPGA芯片的NIOS系統及各種控制電路和SDRAM、各種鍵盤和LCD接口等組成。其中DSP芯片作為后端處理的核心使用的是TI公司的TMS320F2812.它是32位定點DSP芯片，內含128K*64位的片內Flash存儲器18K*16位的數據/程序存儲器以及4K*16位的Boot Rom,FPGA芯片作為前端采集控制處理器，使用的是Altera公司的EP2C5Q208,它是Cyclone系列的一款低成本FPGA芯片擁有多達119808bit的內部RAM,4608個邏輯單元，支持Altera公司的NIOSII及SOPC,可滿足設計要求。

如圖1所示，被測信號首先從通道1或通道2,由于兩個通道接收到的模擬信號的幅值處于不穩定狀態，必須經過調理電路處理成A/D轉換電路可以接收的電壓范圍，否則會引起非常嚴重的后果。A/D轉換電路可以把調理后的模擬信號經過采樣、保持、量化、編碼等過程后轉換成數字信號，在S D R A M控制器的作用下送入F P G A芯片。在FPGA內置的NIOS的總體控制下，利用內部的FIFO進行緩沖和相應的數據處理。

在本設計中，DSP是整個示波卡數據處理和顯示的核心，進行主要的數據處理，并且輸出處理結果和相應的控制信號。FPGA在DSP發出的控制信號的作用下進行工作。DSP是一種高速的數字信號處理器，經過FPGA處理并保存于緩沖存儲器中的數據，在DSP控制信號作用下，將數據送入SDRAM中的原始緩沖區中。再經過DSP各種差值和濾波等算法的處理后，送入示波卡的顯示緩沖區，用于在LCD屏上的波形顯示。

2.1 前端調理電路和A/D采樣的設計

一般A / D芯片允許輸入的電壓幅度都是固定的(-0.5v~+0.5v)，由各種信號的衰減和放大以及電壓偏置網絡組成的預處理電路，負責把前端接收到的不穩定的模擬信號經過方法和衰減之后，穩定在允許輸入的電壓范圍內。總體來說，前端預處理電路由兩部分組成，一是由繼電器和RC共同組成的衰減網絡，既可以避免信號的失真又可以方便數字存儲示波卡的基準調節;二是由兩片運放AD8008組成的阻容匹配網絡和驅動放大電路。AD8008是具有雙通道、高性能、電流反饋型放大器，其具有超低失真和噪聲特性，帶寬為650MHz,并且具有寬電源電壓范圍(5V~12V)。

數據采集的核心是A/D轉換功能。雖然DSP芯片本身具有A/D轉換的功能，但是為了提高其工作速度，本設計采用兩片AD9288完成模數轉換的工作。在采樣時鐘的控制下，構成180度相位差，滿足200MS/s采樣速率。

AD9288是一款雙核8位單芯片采樣模數轉換器，內置片內采樣保持電路，具有低成本、低功耗、小尺寸和易于使用等特性。AD9288采用100MSPS轉換速率工作，在整個工作范圍內都具有出色的動態性能。AD9288的輸出為二進制碼，送入FPGA存儲模塊后，可直接存儲。每個通道均可以獨立工作，最高可達475MHz模擬帶寬，可以使雙通道并行工作。

2.2 觸發電路

觸發電路是信號采集系統的重要功能電路，其基本功能是提供一個穩定的觸發相位點，用作水平掃描時基的時間參考零點，使波形在顯示屏上穩定顯示。本采集電路設計實現了一個周期和被測信號相關的觸發脈沖信號，控制ADC數據采集。

觸發電路的核心部件是高速電平比較器，本采集電路中選用的是AD96685芯片和LT1713芯片。觸發電路如圖3所示。TrigLevel信號是迭加了源信號低頻分量的比較電平，Ref是參考電位，Trig Source信號是被觸發的源信號。通過改變Trig Level信號的電平值，實現觸發電平的調節。通過LT1713比較整形后輸出一對ECL差分時鐘TrigP和TrigNP,再經過電平轉換后送入FPGA內觸發器。

2.3 供電電路的設計

數字存儲示波卡的電源主要分三部分，一部分給高速A/D轉換器供電，第二部分給FPGA供電，第三部分是給DSP芯片供電。考慮到成本和實用性等因素，使用