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DSP的数字存储示波卡的设计方案

时间:12-21 来源:互联网 点击:

  本文介绍了一种基于DSP的双通道数字存储示波器的设计方案。该数字存储示波器主要由DSP数字信号处理器、前端调理电路、A/D转换模块,数字存储模块,FPGA芯片、电源模块等组成,实现了高速数据采集和大容量的数字存储以及很高的模拟带宽。

  1.引言

  数字存储示波器有别于一般的模拟示波器,它是将采集到的模拟电压信号转换为数字信号,由内部的微处理器进行分析、处理、存储、显示或打印等操作。这类示波器通常具有程控和遥控能力,通过GPIO接口还可将数据传输到计算机等外部设备进行分析处理。随着大规模集成电路的不断发展,功能强大的DSP数字信号处理器的实时性越来越强。DSP凭借其强大的数字信号处理能力,为数字示波器数据采集系统的实现提供了一个可靠而又实用的平台,并且提高了数字存储示波器的采样速率、存储深度、波形捕获能力等指标。

  本文描述的数字存储示波卡是一种基于DSP的双通道数字存储示波器。该示波器采用的是TI公司的TMS320F2812芯片,它具有高速的数字信号处理能力和滤波功能以及实时、大容量波形存储、快速的信号处理等特性。并且本数字存储示波器具有便携、操作简单、精确度高、采样速率大等优点。

  2.总体设计

  数字示波器主要由前端稳压处理电路、AD转换电路、集成于FPGA芯片的NIOS系统及各种控制电路和SDRAM、各种键盘和LCD接口等组成。其中DSP芯片作为后端处理的核心使用的是TI公司的TMS320F2812.它是32位定点DSP芯片,内含128K*64位的片内Flash存储器18K*16位的数据/程序存储器以及4K*16位的BootRom,FPGA芯片作为前端采集控制处理器,使用的是Altera公司的EP2C5Q208,它是Cyclone系列的一款低成本FPGA芯片拥有多达119808bit的内部RAM,4608个逻辑单元,支持Altera公司的NIOSII及SOPC,可满足设计要求。

  如图1所示,被测信号首先从通道1或通道2,由于两个通道接收到的模拟信号的幅值处于不稳定状态,必须经过调理电路处理成A/D转换电路可以接收的电压范围,否则会引起非常严重的后果。A/D转换电路可以把调理后的模拟信号经过采样、保持、量化、编码等过程后转换成数字信号,在SDRAM控制器的作用下送入FPGA芯片。在FPGA内置的NIOS的总体控制下,利用内部的FIFO进行缓冲和相应的数据处理。

  在本设计中,DSP是整个示波卡数据处理和显示的核心,进行主要的数据处理,并且输出处理结果和相应的控制信号。FPGA在DSP发出的控制信号的作用下进行工作。DSP是一种高速的数字信号处理器,经过FPGA处理并保存于缓冲存储器中的数据,在DSP控制信号作用下,将数据送入SDRAM中的原始缓冲区中。再经过DSP各种差值和滤波等算法的处理后,送入示波卡的显示缓冲区,用于在LCD屏上的波形显示。

  2.1前端调理电路和A/D采样的设计

  一般A/D芯片允许输入的电压幅度都是固定的(-0.5v~+0.5v),由各种信号的衰减和放大以及电压偏置网络组成的预处理电路,负责把前端接收到的不稳定的模拟信号经过方法和衰减之后,稳定在允许输入的电压范围内。总体来说,前端预处理电路由两部分组成,一是由继电器和RC共同组成的衰减网络,既可以避免信号的失真又可以方便数字存储示波卡的基准调节;二是由两片运放AD8008组成的阻容匹配网络和驱动放大电路。AD8008是具有双通道、高性能、电流反馈型放大器,其具有超低失真和噪声特性,带宽为650MHz,并且具有宽电源电压范围(5V~12V)。

  数据采集的核心是A/D转换功能。虽然DSP芯片本身具有A/D转换的功能,但是为了提高其工作速度,本设计采用两片AD9288完成模数转换的工作。在采样时钟的控制下,构成180度相位差,满足200MS/s采样速率。

  AD9288是一款双核8位单芯片采样模数转换器,内置片内采样保持电路,具有低成本、低功耗、小尺寸和易于使用等特性。AD9288采用100MSPS转换速率工作,在整个工作范围内都具有出色的动态性能。AD9288的输出为二进制码,送入FPGA存储模块后,可直接存储。每个通道均可以独立工作,最高可达475MHz模拟带宽,可以使双通道并行工作。

  2.2触发电路

  触发电路是信号采集系统的重要功能电路,其基本功能是提供一个稳定的触发相位点,用作水平扫描时基的时间参考零点,使波形在显示屏上稳定显示。本采集电路设计实现了一个周期和被测信号相关的触发脉冲信号,控制ADC数据采集。

  触发电路的核心部件是高速电平比较器,本采集电路中选用的是AD96685芯片和LT1713芯片。触发电路如图3所示。TrigLevel信号是迭加了源信号低频分量的比较电平,Ref是参考电位,TrigSource信号是被触发的源信号。通过改变TrigLevel信号的电平值,实现触发

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