基于FIFO IDT7202-12的数字存储示波器

　　引 言

　　伴随着电子技术快速的发展，越来越多的人加入电子开发的大军。在学习电子技术和研发项目的过程中，避免不了要使用一些仪器，例如万用表、示波器等等，然而对于一些非专业的爱好者，拥有一台数字示波器是比较"奢侈"的。本设计介绍的数字示波器，因其具有成本低、制作简单、测量精度高等优势，恰恰满足了这一部分人的需求。制作出示波器简单，但要想制作出高模拟输入带宽的示波器却不易。主要器件的选择是实现高模拟输入带宽设计目标的关键。本文选用C8051F020单片机作为CPU，它拥有简单的51内核且I／O资源丰富。A／D选用8位高速模／数转换器TDA8703，最高采样率为40 Msps。另外，采用双口FIFO-IDT7202LA-12，它是先进先出双口存储器，最快的存入时间为12 ns。

　　本系统主要包括前端模拟信号电路调理模块、信号采集电路模块、信号传输模块、各芯片逻辑控制电路模块、显示模块等。

　　1 前端模拟信号电路调理模块

　　该模块采用高速运放LM6361和高速比较器AD744，如图1所示。

　　本设计选用成品探头。为了防止过压输入，在高速比较器AD744前端加2个保护二极管，把输入信号嵌位到±12 V内，对整个系统起保护作用。然后经过ICI反向放大，再经IC2把相位倒回信号初始相位。由于本设计采用的AD电压输入范围为1．55～3．26 V，所以应用IC3加一个直流分量把输入信号"抬到"A／D的输入范围内。

　　2 信号采集电路模块

　　该模块采用的A／D转换器是TDA8703。它是Philips公司生产的高速模／数转换器，采样率是40 Msps，8位分辨率，信噪比很高，与TTL电平兼容，具有内部参考电压。

　　TDA8703的输入电压和输出二进制码如表1所列，采样时序如图2所示。

　　时钟的上升沿到来时开始采样，当时钟的下一个周期上升沿上升时，转换结束。由于高达40 Msps的采样率，普通的单片机很难能"跟上节奏"，这时采用双口RAM--IDT7202，与之配合使用，以达到与单片机同步的目的。IDT7202是AMD公司推出的一款先进／先出双口存储器。本设计选用的型号是IDT7202-12，也就是存入数据的时间是12 ns，即存入频率高达83 MHz，完全可以与40 Msps的AD匹配，所以两块芯片可以用同一时钟采样并存储(如图3所示)。IDT7202有1 024字节的存储深度，低功耗，CMOS工艺，有3种状态标志(空、半满、满)，工业级温度(一40～80℃)。

　　TDA8703的采样时钟与IDT7202的写信号接同样一个时钟，这样便使两者同步。当采样1 024个点时，关闭采样时钟信号，IDT7202的FF端低电平有效，CPU把IDT7202中的数据取出并查询IDT7202的空标志位端；当低有效时，意味IDT7202中的数据全部被取出，这时重新开采样时钟信号，重复上一过程。

　　由于本设计显示采用的是PC机，受到串口上传波特率的限制，所以很难实现高频信号的测量，而上述设计恰恰在一定程度上解决了这个问题。由于1 024个采样点是连续的，可以逐步上传而形成完整的波形。但是，把1 024个采样点上传给PC机的过程中ADC是禁止采样的，所以在PC机上看到的波形有不连续的"接头"。不过，这对于简易的数字存储示波器是可以"容忍"的。

　　　在设计的过程中，由于走线过多，所以即使试验阶段也得做PCB板；但是由于各芯片间的控制逻辑不确定，很容易出错。这时采用CPLD来搭建此系统的逻辑电路，一旦出错，可以随时修改，直到正确。如果整个系统调试成功后，用与、或、非等逻辑电路替换CPLD，这样可降低成本。

　　3 信号传输模块

　　C8051F单片机是能真正独立工作的片上系统(SoC)。每个MCU都能有效地管理模拟外设和数字外设，可以关闭单个或全部外设节省功耗。Flash存储器还具有片上重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。
片内JTAG调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用系统资源)、全速、在系统调试。该调试系统支持观察、修改储存器和寄存器，支持断点、单步、运行、停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都能全功能运行。

C8051F具有标准8051兼容的I／O端口。有的端口在某些器件中没有引出脚，这样的端口可用作通用寄存器。I／O端口的工作情况与8051相似，但有些改进。每个端口I／O引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8051中固定的"弱上拉"可以被禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。最突出的改进是引入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统资源分配给端口I／O引脚。与具有标准复用数字I／O的微控制器不同，这种结构可支持所有的功能组合。可通过设置交叉开关控制寄存器，将片内的计数器／定时器