简易数字示波器

一、设计方案工作原理

(一) 预期实现目标及系统结构工作原理

本系统综合目标是设计并制作一个数字显示的周期性简易示波器, 输入阻抗为50Ω。与此同时, 设计一个标准矩形脉冲波作为一个自校验, 本系统的工作原理是将输入的脉冲信号经THS300电路缓冲衰减处理后, 将信号幅度控制在3.3~5V范围, 接着FPGA控制系统对处理过的信号进行等精度测频及脉宽测量, 输出数字量传送给430控制系统进行处理, 并将结果在液晶上显示出来。

(二) 技术方案分析比较

1. 测量频率的论证与选择

方案一:IAP15F61S单片机。本方案使用IAP15F61S的外部中断和定时器0共同控制下, 外部中断采用上升沿检测计数, 定时器控制一秒的时间闸门信号, 一秒内外部中断记得脉冲次数就是信号的频率。方案简单易行, 成本较低, 但是只能测低频。

方案二:纯硬件电路。本方案采用74HC04进行放大整形发送数码管, 稳定性好, 但是设计复杂, 成本较高。

方案三:FPGA和单片机结合。本方案利用FPGA的高速性和可靠性, 对处理过的信号进行等精度测频及脉宽测量, 再利用单片机的运算能力, 对信号进行数字处理, 并将结果在液晶上显示出来。本方案FPGA、单片机具有易编写, 使用方便, 满足本题需要。

方案选择:综上所述, 方案三为最佳选择。

2. 前级电路的论证与选择

方案一:用继电器进行调挡, 利用反馈电阻的阻值不一样, 进行放大和衰减, 高速AD进行采集。

方案二:压控放大电路和峰值检波。波峰检波电路可以将正弦波和方波取其峰值, 进行电阻分压, 进行采样后数值送到液晶显示。

方案选择:综合以上方案, 选择方案二。

3. 控制系统的论证与选择

方案一:15系列单片机。性价比高, 性能比51单片机高出很多。但是不满足当前设计需要的运行速度。

方案二:430单片机。1.8~3.6V为电压范围。超低功非常低, 集成5种低功耗模式, 计算能力非常快, AD转换器拥有10-14位通道;综合考虑采用430单片机。

方案选择:综合以上方案, 选择方案二。

(三) 功能指标实现方法

FPGA片内包括等精度测频模块、占空比测量模块、时间检测模块、分频脉冲信号发生器模块及数据传输模块。

1. 脉冲信号频率的测量

测量脉冲信号频率主要是利用FPGA等精度测量法, 以FPGA开发板上的50MHz晶振作为基准频 (Fs) , FPGA对基准频计数为Ns, 对被测频率Fx计数计为Nx, 通过公式:Fx=Fs*Nx/Nx, 实现等精度计算测量频率。

2. 脉冲信号占空比的测量

脉冲信号占空比主要以FPGA开发板自带50MH作为基准, 来通过基准计数来实现对脉冲信号正负脉宽的测量, 正脉宽计为Pn, 负脉宽计为Pp, 则周期T=Pn+Pp;则占空比Du=Pn/T=Pn/ (Pn+Pp) , 进而实现对脉冲占空比的测量。

3. 脉冲信号幅度的测量

脉冲幅度测量主要是利用峰值检波电路, 将输入的脉冲信号整形为等幅的直流信号, 然后将直流信号输入给MSP430单片机, MSP430利用自带的ADC12将电压信号采集转换成数字信号, 通过数据处理将数字信号的幅度值。

4.1MHz矩形脉冲信号发生器的实现

矩形脉冲信号发生器主要利用FPGA开发板自带的50MHz晶振50分频, 并通过控制系统内部计时控制脉宽为10%。

二、核心部件电路设计

关键器件性能分析:

FPGA:EP2C5T144C8N, 主频50MHz, 足够用于数据的处理及算法的实现。

单片机:MSP430, 16位, 运算数度快, 内部12位AD便于模拟信号的采集。

电源:±5V, ±12V线性直流稳压电源供电, 对于系统的功率足够, 能保证单片机、FPGA等系统的正常工作。

高速运放:NE5532, 速度快, 满足10Hz~2MHz的频率要求, 用于峰值检波电路。

摘要：本设计给出了以Cyclone II型FPGA EF2C5T144C8N为核心部件的数字示波器的基本原理与实现方案。软件编程采用VHDL语言及底层C语言, 硬件电路则由脉冲信号发生器、FPGA电路、峰值检波幅度测量电路、THS300高速缓冲衰减电路、MSP430控制系统、LCD显示系统、键盘控制系统及电源电路八个部分组成。输入的脉冲信号经THS300电路缓冲衰减处理后, 将信号幅度控制在3.35V范围, 接着FPGA控制系统对处理过的信号进行等精度测频及脉宽测量, 输出数字量传送给MSP430控制系统处理, 结果在液晶上显示出来。经测试, 频率测试范围达到1Hz20MHz, 测量误差小于0.1%, 占空比测量误差小于2%, 幅度为0.1v10V。

关键词：FPGA,MSP430,脉冲测量,幅度,液晶显示