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    基于CPLD 的數(shù)字示波器設(shè)計(jì)

    2015-03-18 10:47:24趙雨虹
    關(guān)鍵詞:示波器時(shí)鐘軟件

    趙雨虹,高 輝

    (鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450052)

    0 引言

    在儀器儀表和測量領(lǐng)域中,示波器扮演著非常重要的角色。測量領(lǐng)域中對測量儀器的要求越來越高,傳統(tǒng)的模擬示波器存在很多的不足,比如功能單一、精度比較低等等,已經(jīng)不能滿足科研領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來,數(shù)字存儲示波器開始被廣泛應(yīng)用。市場上的數(shù)字示波器雖然可以大大提高測量精度,但是存在價(jià)格貴、攜帶不方便、不能實(shí)現(xiàn)在線升級等缺點(diǎn),為了解決這些問題,文章提出了使用CPLD 開發(fā)數(shù)字存儲示波器,可以把整個(gè)系統(tǒng)集成到CPLD 芯片上,在大大降低成本的同時(shí),還具有測量精度高、攜帶方便和可在線升級的優(yōu)點(diǎn)。

    1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

    數(shù)字示波器系統(tǒng)主要由SOPC 系統(tǒng)、ADC 模塊、時(shí)鐘產(chǎn)生模塊等組成,系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入和顯示控制由按鍵系統(tǒng)完成,測試結(jié)果的輸出通過液晶顯示模塊TFT 進(jìn)行顯示。CPLD 模塊主要完成數(shù)據(jù)的存儲和處理[1]??刂破鬟x用MSP430 單片機(jī),其主要的功能是控制信號調(diào)理模塊,另外還控制按鍵輸入和A/D轉(zhuǎn)換。

    圖1 數(shù)字示波器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    2.1 時(shí)鐘分頻電路設(shè)計(jì)

    根據(jù)數(shù)字示波器的測量需要,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要的測量范圍是非常寬的,所以通過CPLD 設(shè)計(jì)了分頻器,這樣就可以根據(jù)需要很好地采樣頻率,也就是采集到的數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確。此模塊是在軟件Quartus Ⅱ環(huán)境下通過VHDL 語言編寫完成。此模塊能對100MHz 的時(shí)鐘信號進(jìn)行分頻,這樣就可以很好的滿足ADC 采集的需要。具體的編寫模塊如圖2 所示。

    圖2 分頻電路設(shè)計(jì)

    2.2 FIFO 模塊設(shè)計(jì)

    此模塊在 CPLD 芯片上進(jìn)行設(shè)計(jì),軟件Quartus Ⅱ環(huán)境下通過VHDL 語言編寫完成。FIFO的存儲量是1024B。此模塊主要是把ADC 采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。在ADC 系統(tǒng)開始采集時(shí),此系統(tǒng)就可以進(jìn)行存儲數(shù)據(jù)[2]。具體的編寫模塊如圖3 所示。

    圖3 FIFO 模塊設(shè)計(jì)

    3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    整個(gè)系統(tǒng)在軟件Quartus Ⅱ環(huán)境下通過VHDL語言編寫完成,整個(gè)系統(tǒng)主要完成的任務(wù)是人機(jī)交換、信息提示、系統(tǒng)啟動(dòng)和系統(tǒng)復(fù)位,圖4 是具體的軟件流程。此系統(tǒng)主要由時(shí)鐘產(chǎn)生系統(tǒng)、TFT 系統(tǒng)等構(gòu)成[3]。

    圖4 系統(tǒng)總體流程圖

    4 測試結(jié)果和結(jié)論

    4.1 測試結(jié)果

    測量輸入的標(biāo)準(zhǔn)噪聲的峰-峰值是1.72mV。100kHz 方波信號的電壓值是0.308V,測量的誤差是0.69%,具體的測試結(jié)果如表1 所示。

    表1 掃描速度測試

    垂直靈敏度測試,測試的標(biāo)準(zhǔn)信號是10kHz,具體的測量結(jié)果如表2 所示。

    4.2 結(jié)論

    此數(shù)字示波器系統(tǒng)通過CPLD 實(shí)現(xiàn),整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和處理都是通過一個(gè)CPLD 芯片完成[4]。測試結(jié)果表明,測量數(shù)據(jù)誤差小,整個(gè)示波器體積小,具有很好的應(yīng)用空間。

    表2 垂直靈敏度測試

    [1]張偉,張安堂,肖宇.基于改進(jìn)的CORDIC 算法FFT 的復(fù)乘及其FPGA 實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)引用,2011,37(4):51-54.

    [2]王德勝,康令州.基于FPGA 的實(shí)時(shí)圖像采集與預(yù)處理[J].電視技術(shù),2011(3):88-91.

    [3]周霏霏,徐巖.基于有功與無功相對大小的變壓器勵(lì)磁涌流鑒別新方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2011(19):69-72.

    [4]畢卓,戴益君.全定制CORDIC 運(yùn)算器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2011,33(10):64-69.

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