基于microblaze的手持示波函數(shù)表

　　一、項(xiàng)目概述

　　1.1 引言

　　示波器自1933年誕生至今已經(jīng)有70多年的歷史。它是電子電路設(shè)計(jì)人員用來(lái)觀察波形的主要工具，它可以讓設(shè)計(jì)人員直觀的看到所要觀測(cè)到的波形。因此，示波器在信號(hào)觀測(cè)領(lǐng)域一直都扮演著非常重要的角色。傳統(tǒng)的模擬示波器信號(hào)帶寬頻率受到陰極射線管的限制而不可能太高，難以測(cè)量慢速信號(hào)或單次瞬變信號(hào)，預(yù)觸發(fā)功能難以實(shí)現(xiàn)和不便對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理分析等等，因而在許多應(yīng)用領(lǐng)域中存在著局限性。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，單次信號(hào)的捕捉，測(cè)量和研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注和重視，在信息領(lǐng)域、高速計(jì)算機(jī)、高速數(shù)據(jù)通信和高速數(shù)字集成電路及其系統(tǒng)內(nèi)，面臨著硬件、軟件、以及由軟硬件共同作用而產(chǎn)生的偶發(fā)性故障，迫切需要更高速的示波器才能得心應(yīng)手的解決這些難題。隨著數(shù)字集成電路和高性能微處理器技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)出現(xiàn)了。數(shù)字存儲(chǔ)示波器整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)全部由微處理器在相應(yīng)的軟件支持下自動(dòng)進(jìn)行，包括自動(dòng)設(shè)置、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)校正、波形存儲(chǔ)、計(jì)算機(jī)I/O和打印輸出等一系列優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字存儲(chǔ)示波器的出現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了示波器的新紀(jì)元，它為示波器的智能化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)它還標(biāo)志著示波器的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。

　　與此同時(shí)，波形發(fā)生器也是電子工程人員不可或缺的一種工具，常被稱(chēng)作信號(hào)發(fā)生器，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H工作中作為信號(hào)源為電路提供所需的激勵(lì)信號(hào)，因而是一種必不可少的工具?，F(xiàn)代新型信號(hào)發(fā)生器的研制都采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)進(jìn)行，這種技術(shù)是第三代頻率合成技術(shù)的標(biāo)志，主要特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)參與頻率合成，既可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者二者結(jié)合。

　　本設(shè)計(jì)研制的多用手持示波函數(shù)表基于美國(guó)ADI公司實(shí)驗(yàn)室電路CN0002和CN0156。CN0002提供了示波器的AD采集端電路，CN0156提供了函數(shù)發(fā)生器的解決方案，把兩種實(shí)驗(yàn)室電路通過(guò)FPGA加以結(jié)合，制作出一種方便且便于攜帶的手持表。

　　1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

　　現(xiàn)在市面上的大多數(shù)示波器都是臺(tái)式的，體形過(guò)于龐大和笨重，難以攜帶，對(duì)于狹小的場(chǎng)合應(yīng)用很不方便，在高空作業(yè)和其他特殊場(chǎng)合的應(yīng)用受到很大的限制，加上價(jià)格昂貴，動(dòng)輒幾千上萬(wàn)甚至數(shù)萬(wàn)元的價(jià)格不是每個(gè)人都能接受的，另外市面上手持示波表較少，并且功能單一，價(jià)格高昂，大部分采樣率等較低，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大。

　　本項(xiàng)目就是基于這種背景下開(kāi)展的，采用美國(guó)ADI公司實(shí)驗(yàn)室電路CN0002和CN0156作為平臺(tái)來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可以充分發(fā)揮相關(guān)芯片的最優(yōu)性能，使得該表性能可以得到一定的保證，并且?guī)в幸欢l率的波形發(fā)生器功能，使得該示波函數(shù)表不僅具有示波器功能，還集成了信號(hào)發(fā)生器的功能。

　　二、需求分析

　　2.1 功能要求

　　設(shè)計(jì)一個(gè)能夠正確顯示波形并且能夠觀察波形參數(shù)的，沒(méi)有較大失真的，且?guī)в幸欢l率的正弦波，方波，三角波輸出功能的，便攜的，帶有一定的鋰電管理能力的示波函數(shù)表。

　　2.2 性能要求

　　示波函數(shù)表要求示波器部分實(shí)時(shí)采樣率能夠達(dá)到125MSPS,模擬帶寬在30M以上，能夠產(chǎn)生幅度為可以達(dá)到5V，頻率可以達(dá)到14MHZ，分辨率在0.1%的正弦波，三角波和方波。

　　三、方案設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

　　下面就各個(gè)模塊電路做以簡(jiǎn)單介紹

　　1.程控放大電路和電源電路：

　　程控放大器的作用是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減或放大調(diào)整，使輸出信號(hào)電壓在AD轉(zhuǎn)換器輸入電壓要求范圍內(nèi)，達(dá)到最好的測(cè)量與觀察效果，所以程控放大器電路在規(guī)定帶寬內(nèi)的增益一定要平坦，故對(duì)運(yùn)算放大器的要求比較高。

　　而數(shù)字示波器中最重要的電路是AD轉(zhuǎn)換電路，它的作用是將被測(cè)信號(hào)采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)存入存儲(chǔ)器，說(shuō)它是數(shù)字示波器的咽喉一點(diǎn)也不為過(guò)，因?yàn)樗苯記Q定著數(shù)字示波器所能測(cè)量的最高頻率，根據(jù)乃奎斯特定理，采樣頻率至少是被測(cè)信號(hào)最高頻率的2倍才能復(fù)現(xiàn)出被測(cè)信號(hào)。而在數(shù)字示波器中采樣頻率至少應(yīng)該是被測(cè)信號(hào)頻率的5~8倍才行，否則根本觀察不到信號(hào)的波形。

　　本文的電路選用CN0002中的AD8376和AD9445組合來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能， 該電路采用雙通道、數(shù)字可編程、超低失真、高輸出線性度、可變?cè)鲆娣糯笃?VGA) AD8376和高速ADC，可提供高性能、高頻采樣，該電路中 AD8376 VGA，能夠?yàn)锳D9445等高速ADC提供可變?cè)鲆?、隔離和源阻抗匹配。在高帶寬時(shí)候可以達(dá)到比較好的性能，所以應(yīng)該可以滿(mǎn)足需求。

　　2.信號(hào)發(fā)生原理DDS介紹

　　DDS的基本原理是利用采樣定理，通過(guò)查表法產(chǎn)生波形。DDS的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理可用圖1來(lái)表示。

　　相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖fs，加法器將頻率控制字K與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時(shí)鐘作用下，不斷對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號(hào)頻率。 用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器(ROM)的相位取樣地址，這樣就可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值(二進(jìn)制編碼)經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。波形存儲(chǔ)器的輸出送到D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號(hào)。最后用低通濾波器濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號(hào)。

　　本文的電路選用CN0156提供的方案，實(shí)現(xiàn)波形發(fā)生器的幅度調(diào)節(jié)，然后通過(guò)低通濾波器，把多余的雜波濾掉，最后利用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，使得電壓符合要求，然后輸出，另外通過(guò)檢波電路輸入到FPGA,進(jìn)行閉環(huán)的調(diào)整。

　　3.4 系統(tǒng)軟件流程

　　3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

　　制作一個(gè)實(shí)時(shí)采樣率可以達(dá)到100MSPS，模擬帶寬可以達(dá)到30M以上，帶有一定存儲(chǔ)深度，顯示波形不失真，能夠顯示任意波形和產(chǎn)生頻率可達(dá)到14MHZ，頻率分辨率為0.1%，輸出的電壓幅度為0V~5V的三角波，正弦波，方波信號(hào)的手持的，便攜的示波表。