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文档简介
噜 fi i 一 、 独创性声明 0 1 1 l l i 1y 17 3 9 9 8 8 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地 方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名:亟丝童日期:2 。j 年角2 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) f 签名:趔导师签名:立2 21 日期:2 。年妇2 f 日 叠 f 多 j | 1 一 摘要 摘要 数字存储示波器是现代电子测量技术中的重要时域测量仪器,其性能高低直 接影响着我国电子科学技术的发展。采集存储控制系统是整个数字存储示波器中 最核心的电路,控制着数字存储示波器对前端波形数据的采集和存储过程,其性 能的高低决定了数字存储示波器的好坏。 控制电路基本上都是在f p g a 中来实现, 由于国内数字存储示波器设计中,采集 所以本文针对a l t e r a 公司f p g a 可以 动态配置的特点,对该技术在示波器上的应用做了一次尝试。首先阐述了a l t e r a 公司f p g a 的动态配置原理及示波器采集控制电路总体框架方案的设计。其次本 文根据利用动态配置技术的情况,对f p g a 工程的设计思路作了分析。依据数字 存储示波器在不同的工作情况下各个功能模块工作状态的非并发性,对采集控制 电路进行了分割和简化。分成了实时采样,峰值采样,等效采样,滚动四种工作 模式,并对各种工作模式下所需要的电路子模块进行了规划统计。接着本文对上 述四种采样模式下的电路原理框图、设计过程、各个子模块电路的工作流程以及 电路调试做了详细分析和说明。最后本文对四种模式下f p g a 工程的资源消耗量 做了分析,并和不使用动态配置技术的采集控制电路方案进行了对比,看到了动 态配置的优越性和继续深入研究的价值。对于数字存储示波器的存储控制电路是 本文的研究的第二个要点。本文提出了两种存储电路的设计方案,完成了两种方 案下具体的实物电路的设计,同时将两种电路中得到的数据波形进行了对比分析, 找到了不同方案适用的范围,也提出了一种示波器高速数据存储控制电路的优化 方案。 关键字:动态配置技术,数字存储示波器,采集控制电路,f p g a 1,偿i ,呷o - 抽 岫 a b s t r a c t a b s t r a c t d i 菩t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p ei st h ei m p o r t a n tt i m e - d o m a i nm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t i nt h em o d e me l e c t r o n i cm e a s u r i n gt e c h n o l o g y i t sp e r f o r m a n c ed i r e c t l ya f f e c t st h e l e v e lo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi nc h i n a a c q u i s i t i o na n ds t o r a g ec o n t r o l s y s t e mi st h ec o r ec i r c u i to fd i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ,c o n t r o l l i n gt h ea c q u i r ea n d s t o r a g ep r o c e s s e so ft h eo s c i l l o s c o p e t h el e v e lo fp e r f o r m a n c ed e t e r m i n e st h e c a p a b i l i t yo fd i 百t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e a c q u i s i t i o na n ds t o r a g ec o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e di nt h ef p g a t h ef p g ao fa l t e r ac a l lb ed y n a m i c a l l yc o n f i g u r e d , t h e r e f o r e ,t h ep a p e rd oa ne x p e r i m e n tf o rt h ea p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g yi nt h e a c q u i s i t i o na n ds t o r a g ec o n t r o ls y s t e md e s i g n f i r s t ,t h ep a p e rd e s c r i b e st h ep r i n c i p l e s o fd y n a m i cc o n f i g u r a t i o na n dt h eo v e r a l lf r a m e w o r ko fa c q u i s i t i o na n dc o n t r o lc i r c u i t s e c o n d ,t h ep a p e rg i v e sar e f e r e n c ew a yf o rf p g ap r o j e c td e s i g nu n d e rd y n a m i c c o n f i g u r a t i o n a c c o r d i n gt od i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n so fo s c i l l o s c o p ea n ds t a t u so f e a c hf u n c t i o n a lm o d u l e ,t h ef p g a p r o j e c th a sb e e nd i v i d e di n t ot h er e a l t i m es a m p l i n g m o d e ,p e a k - s a m p l i n gm o d e ,t h ee q u i v a l e n t t i m es a m p l i n gm o d ea n dt h er o l lm o d e t h i r d ,d e t a i l e dd e s c r i p t i o na n da n a l y s i sf o rt h ec i r c u i tt h e o r y 、b l o c kd i a g r a ma n dd e b u g p r o c e s s f i n a l l y ,a n a l y z i n gt h ef p g ar e s o u r c eu t i l i z a t i o n o ft h ef o u r m o d e s , c o m p a r i n gt h er e s u l t so ff p g ap r o j e c t su n d e rd y n a m i cc o n f i g u r a t i o nw i t ht h ef p g a p r o j e c t so ft r a d i t i o n a lf p g ad e s i g n ,f i g u r i n go u tt h ev a l u e so fd y n a m i cc o n f i g u r a t i o ni n d s od e s i g n t h ew a v es t o r a g ec o n t r o lc i r c u i ti nt h ed s oi st h es e c o n dp o i n t si nt h i s p a p e r t h ep a p e rg i v e st w o k i n d so f s t o r a g ec i r c u i tf r a m e sa n dd e t a i l sa b o u tt h ec i r c u i t s d e s i g n t h e n ,i tc o m p a r e st h ed a t aw a v e f o r m so ft h e m ,f i n d st h ea p p l i c a t i o ns c o p e so f t h et w os t o r a g ec i r c u i tf r a m e s a tl a s tt h ep a p e rp u t sf o r w a r dar e f e r e n c ep r o p o s a lf o r t h ed e s i g no f s t o r a g ec o n t r o lc i r c u i t k e y w o r d s :d y n a m i cc o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y ,d i g i t a l s t o r a g eo s c i l l o s c o p e , a c q u i r e c o n t r 0 1c i r c u i t ,f p g a i i h,庸0 一 - k 毫 、 目录 目录 第一章绪论1 1 1 当今示波器的发展情况:1 1 2 采集控制电路的概述1 1 3f p g a 动态配置技术的概述3 1 4 本论文的主要研究内容3 第二章示波器采集控制系统方案设计5 2 1 通用示波器设计方案介绍5 2 2 示波器的4 种采样模式7 2 2 1 实时采样模式7 2 2 2 等效采样模式7 2 2 3 峰值采样模式8 2 2 4 滚动采样模式9 2 3 动态配置采集控制电路的应用分析1 0 2 4 触发电路原理1 2 2 5 数据接收与存储电路1 2 第三章数据采集控制电路设计1 4 3 1 数据采集控制电路设计流程综述1 4 3 2 实时采样系统方案设计1 8 3 2 1 数据接收模块1 8 3 2 2 时基控制电路1 9 3 2 3 采集状态机2 0 3 2 4 d m a 模块2 1 3 2 5 外部存储器接口模块2 l 3 2 6 频率计模块2 2 3 2 6 自动定标2 3 3 2 7 通道模块2 4 3 3 等效采样系统方案设计2 6 3 3 1 内插电路2 7 i i i k;四 目录 3 3 2 等效模式存储系统i 2 9 3 3 2 水平调节模块3 1 3 4 峰值采样系统方案设计3 2 3 5 滚动采样系统方案设计3 4 3 6 触发电路系统方案设计3 5 第四章高速存储电路设计研究4 1 4 1 数据接收通道设计4 1 4 2 数据存储控制电路4 2 第五章数据采集存储控制电路调试4 7 5 1 实时采样系统的电路调试4 7 5 1 1 采集状态机调试4 7 5 1 2 数据存储模块调试4 8 5 1 3 频率计调试4 9 5 1 4 通道控制模块调试4 9 5 2 等效采样系统的电路调试5 1 5 2 1 内插电路调试5 l 5 2 2 等效模式下的存储电路调试5 2 5 3 峰值采样系统的电路调试5 4 5 3 1峰值数据接收模块调试5 4 5 3 2 峰值采样电路调试5 4 5 4 滚动采样系统的电路调试5 5 5 5 触发电路系统的电路调试5 6 5 5 1 边沿触发电路调试5 6 5 5 2 脉宽触发电路的调试5 7 5 6 存储电路的电路调试5 8 第六章结论6 1 6 1 实时采样模式下的资源消耗6 1 6 2 等效模式下的资源消耗! 6 2 6 3 峰值采样模式下的资源消耗6 2 6 4 滚动模式下的资源消耗6 3 i v 6 5 与非动态配置下资源 6 6 结束语 致谢 参考文献 攻读硕士期间的研究成果 v 目录 v i 第一章绪论 第一章绪论 1 1当今示波器的发展情况 近几年电子科技行业发展迅速,作为电子行业的重要仪器示波器也有了很大 的进步。目前泰克公司的d p o d s a 7 0 0 0 0 系列示波器的实时采样率已经达到 5 0 g s p s 1 1 ,同时示波器的带宽和存储深度也有很大的提高。虽然国内近些年电子技 术的发展水平较快,但作为示波器这类基础仪器的研究与设计却比较落后,主要 由于我们国内示波器的中前端采样a d 的采样率不高。在国外半导体行业非常发 达,可以通过在芯片内部将多片的a d 进行拼合,这样可以实现很高的采样率, 但我们国家的i c 技术落后,不具备将多片a d 在芯片内部进行拼合的能力,所以 只能在板级做a d 的拼合。如果在电路板上拼合a d 过多,就无法很好的控制a d 均匀的对波形进行采样,并且仪器体积也会很大。所以很多情况是购买的国外的 高档仪器,目前市面上能够购买到的国内最高端的示波器是普源公司最近才推出 的示波器d s 6 0 0 0 ,其采样率达到了5 g s p s ,带宽高达1 g 。为了能够设计出更高性 能的数字存储示波器,国内很多公司都在努力研究。本文就是针对当前市场上 f p g a 芯片可以被动配置的特点,对如何利用该技术设计出低成本,高性能的示波 器做的一次有意义的尝试。 1 2 采集控制电路的概述 对于数字存储示波器主要由信号调理电路,数据采集控制电路,信号处理与 显示模块三个部分构成。它们之间的关系如图1 1 所示: 信号调理采集控制 信号处理 电路 电路 与显示 图i - 1 典型数字示波器组成结构 1 信号调理电路主要是对输入的模拟信号进行放大或衰减。这样做的目的是 使信号在进入采集控制电路的时候,其幅度能够满足采样a d 的模拟输入范围要 电子科技大学硕士学位论文 求和a d 输入端对阻抗匹配的要求。这样a d 在对模拟信号进行量化的时候才会尽 可能接近真实的输入信号,同时保护了a d 芯片不至于因为外部输入信号的幅度 过大而被损坏。该模块牵涉到的示波器主要性能指标有通道带宽、平坦度和触发 灵敏度。 2 信号处理与显示模块主要是将a d 采样的数据进行分析处理和显示,让数 据能以最好的效果放在屏幕上。该模块主要指标是信号在屏幕上的刷新速度和一 些相关的扩展功能,如f f t ,波形运算,参数测量。 3 数据采集控制系统是整个数字存储示波器的核心,连接着上层软件和前端 信号调理电路,主要作用是a d 对模拟输入信号的量化,然后是f p g a 做降速接 收,数据同步,硬件抽点,存储数据【2 1 。该模块主要反映了示波器的采样率和存储 深度等指标。 采集控制电路是整个示波器的中心控制部分,主要是负责示波器对信号采样 过程的起停控制和采回数据的存储,同时还要负责波形数据向m c u 的传送。所以 可以说示波器设计中软硬件的全部操作都与该电路有着密切的联系。而这部分电 路主要是在f p g a 中来实现,配合示波器软件的控制,便可以协调好示波器各个 电路的工作。 示波器采集控制电路在f p g a 中由很多个模块组成,主要包括数据接收模块, 数据存储控制模块,采集过程控制模块,外部微处理器接口模块,内插模块等。 在这些大模块下还细分有许多的小模块,如峰值采样数据接收模块,实时采样数 据拼合模块,滚动f i f o 等。虽然模块众多,但这些模块并不会同时工作。在某些 特殊情况下,可能只需要一两个模块就可以完成整个采集控制过程,所以没有必 要将所有的模块都设计到同一个工程当中。另外把所有的模块放入一个工程中, 还会导致个别模块设计相对复杂,进而影响到整个工程的时序性能。由于这两个 原因我们可以将这些模块按照一定的条件进行划分,并对不同条件下的模块进行 简化。然后在根据相应的工作模式,把f p g a 配置成为相应的工作电路,这样便 可以保证f p g a 中任何时候其中的模块都是在工作的。相对于以前非动态配置方 式下的设计,将一个庞大的f p g a 工程分割成多个小的工程,虽然增加了设计的 工程数量,但可以降低每个工程下电路的复杂度,还可以让每个小工程中模块间 的关系更加简单明了。同时所有的功能模块不会在同一时刻出现在芯片中,这样 也降低了电路设计对f p g a 芯片内部资源的要求,更有利于控制设计的成本。而 且还能够在线升级芯片中的工程。 2 第一章绪论 1 3f p g a 动态配置技术的概述 f p g a 动态配置技术就是外部的微处理器根据设备的工作需要,动态的将 f p g a 配置成相应的电路,这种方式的明显特点就是f p g a 中的芯片内容在整个设 备工作期间是有可能被改变的。下面是一些主流的f p g a 公司的动态配置技术的 发展状况: a l t e r a 是当前著名的f p g a 公司,它的动态配置主要是基于其公司芯片的 f p g a 被动配置技术来实现的。也就是f p g a 芯片内的电路内容是可以由外部处理 器实时下载配置的。 x i l i n x 公司也是业界非常出名的f p g a 生产商,该公司期间的方式主要有并 行主动下载、并行被动下载、串行主动下载、串行被动下载。这几种方式中的并 行被动下载和串行被动下载两种方式可以用来作为f p g a 动态配置的下载技术。 l a t t i c e 公司作为另一家著名的f p g a c p l d 公司,其产品也可以被动的配置, 一般是通过外部处理器模仿j t a g 的下载方式,将配置数据实时的配置到f p g a 中。 通过对比可以发现上述三家著名的f p g a 公司的芯片都可以进行动态配置, 相对于l a t t t i c e 的利用j t a g 口来实现动态配置方式,a l t e r a 和x i l i n x 这两家公 司提供的被动配置方案更加的灵活,所以应用也更加的广泛。由于已经具备平台的 限制,本论文主要是在a l t e r a 的c y c l o n e l ie p 2 c 8 q 2 0 8 上完成的被动配置技术 的研究。 1 4 本论文的主要研究内容 国内数字存储示波器的设计主要是基于a d + m c u + f p g a 的方案,而近些年 f p g a 行业发展很快,很多新技术的出现为数字示波器的设计带来了很多新的思路 和方法。基于f p g a 的被动配置方式而产生的数字示波器f p g a 动态配置技术就 是其中的一种。本论文的主要研究内容有以下几点: 1 对动态配置技术在数字示波器设计上的应用做详细研究,包括数字示波器 工作模式的划分、每种工作模式下电路的具体设计和调试、以及设计后f p g a 中 芯片资源的节省状况分析、与非动态配置方式下f p g a 工程资源消耗的对比研究、 以及进一步使用动态配置技术需要改进的问题。 3 电子科技大学硕士学位论文 2 对示波器存储控制电路的设计做了一定研究。通过对高速示波器和低速示 波器存储控制电路的设计与调试,发现了在高速示波器数据存储中遇到的坏点过 多的问题。在对存储方案做了修改之后解决了高速数据流的正确存储,也因此得 到了一种优化高速存储电路的设计方案。 4 第二章示波器采集控制系统方案设计 第二章示波器采集控制系统方案设计 2 1 通用示波器设计方案介绍 国内示波器领域设计的架构为a d + f p g a + d s p t 3 1 。其数据采集控制电路一般 包括采样a d ,f p g a ,存储器。作为示波器的核心控制电路数据采集控制系统硬 件数字电路部分主要是在f p g a 中完成,这一部分的主要功能是控制采集过程的 启停,其次是对采集过程中的数据进行接收存储和将数据返回给微处理器。对于 示波器设计中典型的功能模块框图如图2 - 1 所示: 木呆狂_ 巾:吧雌 目4 e l。i r 阜甘 营j ,h 显示 直白搬 7 p 1 i 空1 天状i i t i 磐橱 v 数斟觥制模卜 接口 m c u 模块 模拟、 r 据 j l 信号a d 量 化数据 - 接 睬集状态机 收 t , 触发 l 时间 l k l 王士 j ,hf- l l 口 4t 、= 1j l - ( i l ll 信号 7 v u , x z x 7 l 天。罗l7 l ”jj “j ,皿j j ji 测量 图2 - 1 典型数字示波器功能模块组成框图 由上图可以看到输入信号经过a d 量化成波形数据,然后由f p g a 接收并按后 端模块的需要变成对应的数据流。采集状态机会根据上层软件的控制,将前端采 样回来的数据按需求进行存储,同时触发电路也会对外部信号的特征进行捕获, 并配合采集状态机,把最需要观察的那部分波形存储下来,并将获得的数据发送 给m c u 完成整个采样的过程。实际上示波器主要的采集方式有实时采样,等效采 样,峰值采样和滚动扫描几种采集方式。上图中的时间测量模块是专门针对等效 采样的一个时间测量模块,可以实现较高的等效采样率。 5 电子科技大学硕士学位论文 现代数字存储示波器的采样技术一般分为实时采样技术和等效采样技术。实 时采样技术适用范围较宽但必须用很高速的a d 才能实现,等效采样技术实际就是 利用其它手段变相的提高了采样率的一种采样技术。它们各自的优缺点如表2 - 1 所示: 表2 - 1 等效采样和实时采样优劣对比 被简单雷复信号复杂定非重 触 预 测 稳变异缓随快 动态时复单发触 信 定 化常 变机 沿 重复测次信功发 号 信信信信毛信 信号量号能 号号息号刺号 等效采样好差差好差好差好差能 技术种 实时采样好好好好好好好好好多能 技术种 除了上述两种采样方式,数字示波器中还会有峰值采样技术和滚动扫描技术, 这两种技术实际是实时采样方式下,设计出来观察某些特殊信号的采样方式,所 以对于一个典型示波器采样模式的组成框图如图2 2 所示: 术朱住币u 咀跆 喾4 - m 磐楹 呈兰兰兰纠实时采样模州塑塑垡垫 降效采样模劂 jl 数 - - - j - 一, 据 睬集状态机h 虫发模块 接 收 峰值数据,r 砷值采样模劂 攀动模块 图2 - 2 数字示波器全功能模块设计框图 实际的使用过程中,软件会控制f p g a 工程中对应模式下的功能模块开始工 作。所以一般可以将数字存储示波器的电路设计分为四种模式: l 、实时采样模式电路 6 第二章示波器采集控制系统方案设计 2 、峰值采样模式电路 3 、等效时间采样模式电路 4 、滚动扫描模式电路 2 2 示波器的4 种采样模式 2 2 1 实时采样模式 依据采样定理a d 对输入模拟信号进行采样,如果满足奈奎斯特定律的时候, 采样回的数据可以直接重构整个波形,这就是实时采样【4 1 。当示波器工作在这样的 模式下的时候,只需要采集控制电路的数据接收模块,实时采样模块,采集状态 机,内插粗差模块,触发模块在工作即可。最终实时采样模式下组成框图如图2 3 所示: f p g a 外部f p g a 内部 尚4 - m 她恫 数 时采样模块r 超 据 j l 接 - 一 收 睐集状态机h 虫发模块 图2 - 3 实时采样模式功能模块组成框图 首先由采集状态机启动采集过程,a d 前端将数据采样回来之后经过数据接收 模块做降速和排序的处理,然后由存储控制模块把数据存入r a m 中,采集过程结 束后,采集状态机会处于采集结束态,外部微处理器得知采集状态为采集结束时, 就把存储器中的数据读走,然后将数据放到显示屏上完成显示。 2 2 2 等效采样模式 当前端a d 采样不能满足奈奎斯特定律的时候,采样得到的数据无法还原出 原始输入信号的波形。但是如果输入信号是周期信号,这种情况就比较特殊了, 7 电子科技大学硕士学位论文 可以在输入信号的多个周期上进行采样,然后将不同周期上的采样点按照特定的 方法还原出一个周期的波形,这种采样的方式就是等效采样。不过这种采样方式 只适合于周期信号,对与信号特征不能重复出现的信号,这种采样方式是不适用 的,例如:单脉冲,非周期信号。不过在自然界中,还是有很多信号是周期信号, 所以对这种等效采样方式的研究依然很有价值。等效采样模式下的电路组成框图 如2 4 所示: f p g a 外部 f p g a 内部 肖4 - m 牡删 数 币劢。姒效采样模劂h 内插细差模劂 ,l _ 1 据 j l 接 - - - - 收 睬集状态机h 虫发模块 图2 4 等效采样模式功能模块组成框图 因为等效采样模块是对输入信号进行多周期多次采样,然后重构一个完整周 期波形。由于采样速度很快,而微处理器读取数据的速度很慢,所以整个的采样 过程会比较长。为了提高波形的捕获率,通常情况下将等效采样模式下的存储模 块设计为n 次采集后上传一次数据,也就是采集状态机会连续n 次启动采集过程, 当n 次采样结束之后,再将数据上传到外部微处理,微处理器再将这n 次的数据 重建一个波形。虽然每次采样的存储深度变成总存储的i n ,由于n 次波形会由 内插模块重建成一个新的波形,所以采样深度并没有改变。而不像实时采样模式 下,每次采集完成都会上传一次数据。 2 2 3 峰值采样模式 峰值采样是为了实现对信号上叠加的高频噪声进行观察。所以在该模式下只 需要数据接收模块,峰值采样模块,采集状态机以及触发模块,而对于触发模块, 也只需要边沿触发功能。总体电路的组成框图如图2 5 所示: 8 第二章示波器采集控制系统方案设计 f p g a 外部f p g a 内部 数 鼍值采样模块| + 世 据 j l b 接 收 睬集状态机h 矗虫发模块 图2 5 峰值采样模式功能模块组成框图 a d 采样回的数据会经过数据接收模块中针对峰值采样的接收电路转换为只 有最大值和最小值的数据流,而这部分最大值和最小值会被作为波形数据存储下 来,当采集完成后这部分数据会交由m c u 完成显示。由于在峰值采样的模式下, 接收模块在不断的抓取波形的峰值,所以相对于原来针对实时和等效模式下的普 通数据接收子模块这里要加入峰值探测的功能。 2 2 4 滚动采样模式 滚动是用来观察慢变信号的连续变化特征的一种显示模式,由于这类信号频 率低,或者信号特征随时间变化的很慢,所以实际电路中的采样率比实时等效等 工作模式下的低。并且由于使用滚动观察信号时,希望观察的是信号的连续变化 特征,所以电路设计上就要求采样和波形的刷新同时进行。由此可知滚动的采样 过程不需要采集状态机来控制的采集过程的启停。整个滚动模式下,只要有一个 数据接收模块,一个滚动采样模块即可。最终的模块组成框图如图2 - 6 所示: 滚动模式采集控制电路 i i 数 滚动数据 la d 量i 据 比数据f - - ,- 、 = = 斟滚模块 一 接 收 图2 - 6 滚动采样模式功能模块组成框图 9 电子科技大学硕士学位论文 数据采样回来直接由数据接收模块负责接收,然后由滚动f i f o 负责存储,同时 m c u 也在不断在读取f i f o 中的数据,送到显示屏上面完成波形的刷新。这样便 完成了一边采样,一边刷新波形的过程。没有采集状态机对采集过程的控制。该 工程模式下,软件要监控好f i f o 中存放的数据量,一旦达到设定的门限,就要读 取数据。读取的速度和设定的读数门限要控制好,这样f i f q 才不会溢出,也不会 被读空。屏幕上的波形也就不会出现断开的现象。 2 3 动态配置采集控制电路的应用分析 对a l t e r a 公司的f p g a 配置实际上就是对芯片的内容进行编程。由于f p g a 中的内容在掉电以后会被丢失,所以在使用的时候必须对其内部的多路器、逻辑、 互联线接点以及片内r a m 资源进行初始化。a l t e r a 公司的f p g a 主要有以下 几种配置方式: 1 主动配置:由f p g a 自身发起配置,主动输出控制和同步信号给专用的配置芯 片,当配置芯片接收到要求配置的命令以后,会将配置芯片内储存的数据发送给 f p g a ,f p g a 根据发回的数据来对自己进行配置。这种方式要求必须有一个外挂 的配置芯片。 2 被动配置:这种配置方式是由系统中的其他设备发起配置过程,这些设备可以 是c p l d ,微处理器。微处理器会将控制信号和同步信号发给f p g a ,在收到这些 信号后,f p g a 就处于一个被动的位置将数据接受下来,完成对自己的配置。被动 配置方式包括:被动串行,被动并行等。 无论是主动配置还是被动配置,其整个配置的过程都在f p g a 发出配置要求 或接收到配置要求后,才会将配置数据存入自己的s r a m 单元中,也就是配置存 储器中。当数据接收完毕,f p g a 就会进如初始化状态,当初始化完成之后,f p g a 会清空s r a m 中的数据进入到用户模式【5 1 。 数字示波器的动态配置技术实际上利用了a l t e r a 公司f p g a 的被动配置方 式来实现的,本论文研究中使用的是被动串行配置,其原理如图2 7 所示: 1 0 第二章示波器采集控制系统方案设计 【j n u 图2 - 7 通过外部主设备被动串行配置芯片 首先将生成的工程文件存入外部m e m o r y 中,由于这种配置方式对文件的格 式有一定的要求,所以设计时需要得到r b f 文件,然后外部设备微处理器会向f p g a 器件发出配置请求,f p g a 响应外部的主设备请求后,数据就送入到f p g a 中,完 成f p g a 的配置。上述的这种配置方式是由外部设备发起,所以可以利用a l t e r a 公司f p g a 的这个特点,在示波器工作的过程中,根据使用的情况,由微处理器 对f p g a 进行配置,使其具有相应的电路功能。 根据f p g a 被动配置的参考电路,我们可以将示波卡的配置方案设计为如图 2 8 所示: | 1 0 0 n fd o n e 计 a s 咖y s l 卜a 算 u s b 连接 5 l 卜斗c 1 c e n c e o 一 、| s p 、一单 ,j l , 机 1 8 5 lv 片 机 d a t a 0 n c o n f i g u c l k 示油器卡 f p g a 图2 - 8 实际电路设计图 示波器卡的控制软件是在计算机上运行,当该控制软件判断出此时此刻示波 器卡应该处于的工作状态后,它便会将计算机上的对应f p g a 配置文件通过u s b 线下载到板卡上,然后单片机会通过d a t a 0 这根线,每次传送l b i t 的数据来配置 电子科技大学硕士学位论文 f p g a 。如果设计的是数字存储示波器,我们只需要加一个存储器,把配置数据事 先放在存储器里,然后按照标准的a l t e r a 建议的配置连接图设计电路。 2 4 触发电路原理 触发对于示波器来说是一个重要的指标,其含义指是满足某种条件后,开始 后面的操作。示波器上的触发电路主要是完成波形特征的捕获。相对与采集控制 电路来说,触发电路是非常重要的。因为只由当这两个电路配合好的时候,才能 够保证用户关注的信号特征点被存储到了存储器中,最终才可以在示波器上看到 想要的信号特征。对于采集控制电路和触发电路之间的关系可以这样理解。当示 波器采集电路启动采集过程以后,采集状态机就会让送来的波形数据不断的存入 存储模块,如果存满之后新的数据就覆盖旧的数据。如果触发信号不到来,这个 采集过程将一直执行下去,上层软件就不会得到采集结束的报告,数据也不会被 搬去显示。而当触发信号到来之后,采集状态机再将采集过程延续一个固定的时 间段,并且在这个时间段内都不会再响应后来的触发信号,时间一结束采集过程 就终止。这样存储器中就一定会保存有触发信号到来时,也就是触发特征得到满 足时候的那一刻的信号波形。 触发电路常见的功能有边沿触发,斜率触发,视频信号触发,脉宽触发,以 及高级码型触发。配合触发电路的不同功能,采集控制电路可对很多复杂的输入 信号进行观察。 2 5 数据接收与存储电路 外部的a d 对前端输入的模拟信号量化以后,会生成大量的数据,由于示波 器上a d 经常会有拼合采样等用法,所以a d 采回的数据首先要做的就是正确接收, 这个电路就是接收电路。如果a d 是高速的器件,采样回的数据流还需要降速处 理。因为目前很多存储器的速度不能做到很高,相对于a d 采样回来的数据流, 直接存储是不现实的。所以通常都会对数据进行串转并的处理,处理后的数据流 位宽变宽,但速度降低了,这样才能达到后端存储器对存储速度的要求。 数字存储示波器中另一个重要的电路就是存储电路,目的是将外部采样回来 的数据存储下来。该部分电路要受到采集控制电路的控制,只有在示波器采集过 1 2 第二章示波器采集控制系统方案设计 程中,存储电路才对外部输入的数据进行存储,在其余时刻a d 采样回来的数据 是不会进行保存的。存储器的大小叫做存储深度。示波器存储深度越深,可以保 存下来的波形的时间长度就会越长。数字存储示波器设计中常用的存储器是普通 的s d r a m ,深度一般可以达到几十兆。但近几年随着存储技术的不断发展,有的高 端示波器使用了d d r i i 存储芯片作为数据的存储器,这种示波器的存储深度可以 达到g 的级别。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 第三章数据采集控制电路设计 3 1 数据采集控制电路设计流程综述 如何将工程划分成不同的工作模式是动态配置技术设计过程中需要重点考虑 的一个问题。首先在开始设计前一定要对自己的设计的电路各个部分的工作状态 十分了解,分化出来的各个工作模式,在时间上一定不能重复。其次统计出所有 模式下必不可少的模块子电路。再根据所有模式下,最复杂的那个工程的资源消 耗量完成f p g a 的选型。最后按照划分的模式框图开始电路的设计。整个设计可 以分为以下几步: 1 根据采集控制电路各模块在时间上的非并发性划分电路; 2 对各个模式下子模块电路的数量进行统计; 3 对多个模式下公用的模块,按功能需要进行简化; 4 按最大的工程评估资源,选择器件; 5 设计每个模式下的工程,并生成对应的r b f 文件; 6 调试每个模式下的工程; 7 设计结束。 本论文是在数字采集存储示波卡这个平台上,按照上述步骤对示波器动态配 置设计技术进行研究的。该系统的指标如下表3 1 : 表3 - 1 示波卡主要指标 主要指标 备注 采样率:1 0 0 m s p s4 c h 同时工作 ( a d 9 2 8 8 一1 0 0 ,两片) 2 0 0 m s p s2 c h 同时工作 4 0 0 m s p s 1 c h 工作 量化分辨率8 b i t 存储深度4 跳h4 c h 同时工作 ( 使用f p g a 内部存储器减8 k ,c h2 c h 同时工作 小p c b 尺寸)1 6 m h1 c h 工作 触发方式 边沿触发 脉宽触发 斜率触发 根据上述指标和电路模块的非并发性,我们对整个数字示波卡采集控制电路 1 4 第三章数据采集控制电路设计 的大工程进行了划分,按照第二章所探讨四种工作模式,将示波器卡的f p g a 工 程的设计分为如下四种: 1 、实时采样模式f p g a 工程 2 、峰值采样模式f p g a 工程 3 、等效采样模式f p g a 工程 4 、滚动扫描模式f p g a 工程 每个工程所需要的功能模块如表3 2 所示: 表3 2 示波卡主要电路模块统计 模式 实时采样模式等效采样模式峰值采样模式滚动模式 模块 时基电路有有有有 全速数据接收电有有无无 路 降速数据接收电有有 无有 路 峰值接收无无有无 存储控制电路有有有无 片内存储器有有有无 外部微处理器控有有有有 制接口电路 采集状态机有 有 有无 频率计电路 有有有无 自动定标电路有有有有 内插电路有有有无 通道控制电路有有有有 边沿触发有有有无 斜率触发有无无无 脉冲宽度触发 有无无无 d m a 数据返回 有无 无有 电路 存储f i f o无无 无有 1 5 电子科技大学硕士学位论文 由上表可以发现原本数据接收模块是包括了高速数据接、低速数据接收以及 峰值数据接收模块。为了简化我们的设计,这个公用的模块也根据子电路时间上 的非并发性,做了一个拆分,这样简化了数据接收模块设计的复杂度。然后存储 电路本来是既要满足常规下的存储,同时又必须可以满足等效采样下对n 次采样 数据的存储,如果放在一起设计会很复杂,同时会消耗掉较多的存储资源,所以 分开到两个工程,不但可以简化我们的设计,同时利用较少的存储资源就可以完 成两种模式下存储电路的设计,并且为了降低上层软件负担,我们根据数据在存 储器中存放的特点,在不同的模式下使用的d m a 传输数据的位宽也都不一样,分 开设计不但降低了难度,同时提高了电路设计的易读性,为后续设计人员参考原 始设计带来了很大的帮助。 在统计完所有工作模式下的电路模块后,接着就要完成f p g a 器件的选型, 分析发现设计最耗资源的工作模式是实时采样模式下的工程,所以我们就可以根 据该模式下的资源消耗量作为选择器件的标准。主要要求指标如下: 1 实时采样模式下,总共需要1 6 k 的存储器资源。 2 同时前端a d 使用的是a d c 9 2 8 8 ,其采样率为1 0 0 m s ,所以1 0 管脚的速 度一定要超过1 0 0 m s , 3 由于a d 的采样时钟要由外部提供,所以f p g a 内部一定要有锁相环资源 可以利用。 4 a d 数据线,i s p 控制线,d m a 数据线以及单片机的控制线数据线等一共 需要1 0 5 个可用i o 引脚。 根据这些指标要求本系统选择的是a l t e r a 公司c y c l o n e l i 系列的c y c l o n e l i e p 2 c 8 q 2 0 8 。该芯片采用的是t q f p 的封装,9 0 n m 的工艺制造,引脚数量总共有 2 0 8 个,其中最大普通i o 管脚数量为1 8 2 个,同时该器件内部由8 2 5 6 个l e s ,2 个模拟锁相环p l l ,并且拥有2 0 k 的片内存储器资源,所以该芯片选型可以达到 设计的要求f 7 1 。最终的数字存储示波卡硬件平台实现框图3 1 如下: 1 6 图3 - 1 示波器卡组成框图 完成硬件平台搭建工作后,就要开始f p g a 内部具体电路的设计。该工程设 计分为实时、等效、峰值、滚动四种模式,但由于整个示波卡中会有多个通道拼 合采样的工作方式,所以整个工程又分成单通道采样,双通道采样,四通道采样, 于是总共有1 0 个工程需要设计,所有工程对应的工程名和工作方式如下表3 3 : 表3 - 3f p g a 工程名列表 i d 命名采样方式 1z y u d s 0 4 c h s n 四通道实时采样 2z y u d s 0 4 c h s p 四通道峰值采样 3z y u d s 0 4 c h s e四通道等效采样 4z y u d s 0 4 c h r n 滚动方式 5z y u d s 0 2 c h s n 双通道实时采样 6 z y u d s 0 2 c h s p双通道峰值采样 7z y u d s 0 2 c h s e 双通道等效采样 8z y u d s olc h s n单通道实时采样 9z
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