2007年数字示波器设计一等奖作品

本题设计一个数字存储示波器，以Xilinx公司20万门FPGA芯片为核心，辅以必要的外围电路（包括信号调理、采样保持、内部触发、A/D转换、D/A转换和I/O模块），利用VHDL语言编程，实现了任意波形的单次触发、连续触发和存储回放功能，并按要求进行了垂直灵敏度和扫描速度的挡位设置。信号采集时，将外部输入信号经信号调理模块调节到A/D电路输入范围，经A/D转换后送入FPGA内部的双口RAM进行高速缓存，并将结果通过D/A转换送给通用示波器进行显示，完成了对中、低频信号的实时采样和高频信号的等效采样和数据存储回放。经测试，系统整体指标良好，垂直灵敏度和扫描速度等各项指标均达到设计要求。 【数字示波器设计原理与实现】 数字示波器是一种广泛应用在电子工程领域的测试设备，它能够捕获、存储和分析各种电气信号。本设计基于2007年的获奖项目，采用Xilinx公司的20万门FPGA芯片，构建了一个数字存储示波器，能够实现对中、低频及高频信号的实时采样、等效采样和存储回放功能。 **核心设计** 该示波器的核心是FPGA（Field-Programmable Gate Array），它是一个可编程逻辑器件，通过VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）编程，能够实现复杂的逻辑功能。FPGA内部包含了信号调理、采样保持、触发、A/D转换、D/A转换以及I/O模块。这些组件协同工作，确保示波器能够准确地捕捉和显示输入信号。 **信号处理** 输入信号首先经过信号调理电路调整到适合A/D转换器的输入范围。A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，这些数字信号存储在FPGA内部的双口RAM中，以实现高速缓存。随后，通过D/A转换器将数据转换回模拟信号，供通用示波器显示。设计中考虑了垂直灵敏度和扫描速度的多挡位设置，以适应不同频率和幅度的信号。 **采样策略** 对于不同频率的信号，设计采用了实时采样和等效采样的组合策略。实时采样适用于中、低频信号，要求采样频率高于信号最高频率的两倍，以符合奈奎斯特定理。而等效采样则在高频信号中发挥作用，通过连续采样多个周期来再现信号，允许采样速率低于信号频率。 **垂直灵敏度** 垂直灵敏度有三挡：1V/div、0.1V/div、2mV/div，对应的A/D转换器输入信号电压范围分别为8V、0.8V和16mV。设计中通过程控放大器实现增益的动态调整，覆盖从5倍到250倍的增益范围，解决了大跨度增益调节的挑战。 **扫描速度** 扫描速度的设定取决于A/D转换速率和被测信号的频率。对于实时采样，扫描速度需保证每周期采20个点以完整显示信号波形；对于等效采样，至少每20个周期采样一次，以满足200 MSa/s的等效采样速率要求。 **系统评价** 系统整体表现出色，垂直灵敏度和扫描速度等关键指标均达到设计标准。FPGA的高速性能和可编程性使得该示波器具有较高的稳定性和可靠性，同时简化了外围硬件设计，降低了开发难度。 通过以上分析，我们可以看出，数字示波器的设计融合了信号处理、数字逻辑、存储技术和接口控制等多个方面的知识，是现代电子测量技术的重要体现。这款基于FPGA的示波器展示了高度集成和灵活性，为后续的示波器设计提供了有价值的参考。