基于FPGA的多儀表合一的設計與實現(xiàn)

趙 云，郭 慶，羅蘇笙，蘇海濤

(桂林電子科技大學電子工程及自動化學院，廣西桂林 451004)

Altera公司提出的片上可編程系統(tǒng)(System－ona－Programmable－Chip，SOPC)解決方案可將 CPU、儲存器、I/O接口、鎖相環(huán)(PLL)等系統(tǒng)設計所必須的模塊集成到一片F(xiàn)PGA上，構成一個可編程的片上系統(tǒng)，Nios嵌入式處理器正是借助于這種片上可編程系統(tǒng)實現(xiàn)的，因此用戶可以輕松地根據(jù)儀器設計的需求，創(chuàng)建合適的硬件。SOPC解決方案使得FPGA在開發(fā)嵌入式儀器的設計領域地位越來越重要。設計基于FPGA實現(xiàn)高速FIFO存儲體和DDS IP核，設計了高性能的模擬控制電路。將數(shù)字示波器和函數(shù)信號發(fā)生器兩種常用儀器，進行了儀表合一的設計。

1 基本原理

系統(tǒng)主要由數(shù)字示波器和函數(shù)信號發(fā)生器組成，系統(tǒng)整體實現(xiàn)框圖如圖1所示。其中數(shù)字示波器主要包括信號調(diào)理與程控增益模塊、A/D數(shù)據(jù)采集模塊、FPGA和人機接口模塊。函數(shù)信號發(fā)生器主要包括FPGA、D/A轉(zhuǎn)換模塊和人機接口模塊。信號調(diào)理電路與程控增益模塊主要完成阻抗變換，程控增益放大;FPGA主要實現(xiàn)頻率測量模塊、FIFO模塊、鍵盤掃描模塊、高速數(shù)字時鐘系統(tǒng)以及DDS IP核;人機接口模塊采用矩陣鍵盤和TFT液晶屏，D/A轉(zhuǎn)換模塊采用D/A及濾波放大模塊。

圖1 系統(tǒng)整體實現(xiàn)框圖

2 硬件電路設計

2.1 模擬信號調(diào)理電路

模擬信號調(diào)理電路包括信號輸入阻抗變換、程控增益。阻抗變換及程控增益電路如圖3所示，模擬信號輸入可選擇交流或直流耦合，采用精密放大器AD845構成電壓跟隨器實現(xiàn)阻抗變換，提高輸入阻抗。

圖2 阻抗變換及程控增益電路

程控增益放大器采用 AD603實現(xiàn)，AD603在－10～30 dB時典型帶寬為90 MHz?？刂齐妷簽椋?.5～0.5 V的差分輸入電壓，采用由使用外部基準電壓輸出的10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5615提供，并由運算放大器OP07將輸出的0～VREF電壓轉(zhuǎn)換為－0.5～0.5 V的控制電壓，外部基準電壓由MC1403產(chǎn)生。控制電壓產(chǎn)生電路如圖3所示。

圖3 控制電壓產(chǎn)生電路

根據(jù)垂直靈敏度20 mV/div～1 V/div，ADC最大輸入為1 V，可計算出增益范圍為－12～22 dB。AD603可控增益范圍－10～30 dB，由于AD845輸入采用1/3分壓方式，AD603實際增益范圍為－19.6～20.4 dB。

ADC連接電路如圖4所示，ADS830采樣率為60 MSa/s，前級采用寬帯儀表運放OPA2681構成前級調(diào)理電路，并使用精密多圈電位器作直流偏移電平調(diào)整。通過調(diào)理電路的調(diào)理，使信號輸入端的模擬輸入電壓范圍擴展至－1.00～1.00 V，并保證模擬輸入為0 V時輸出的數(shù)字量為01111111。

2.2 FPGA模塊

FPGA模塊使用Altera公司的開發(fā)板DE2進行開發(fā)與擴展。設計原則是最大程度地使用片上軟硬件資源，減少外圍附加電路。

2.2.1 FIFO模塊

利用Quartus中的LMP定制了兩個8 kB的FIFO保存雙路A/D采集數(shù)據(jù)。另外FIFO模塊中同時設計了掃描觸發(fā)模塊。其工作原理為啟動A/D采樣后，采集數(shù)據(jù)與觸發(fā)字進行比較，根據(jù)觸發(fā)源選擇信號，一旦滿足設定條件產(chǎn)生觸發(fā)信號，送至FIFO控制器端。由于A/D采樣時鐘與寫入時鐘同步，采集數(shù)據(jù)根據(jù)寫時鐘寫入到FIFO中。當FIFO未達到預觸發(fā)深度時，F(xiàn)IFO只寫入數(shù)據(jù)，不讀出數(shù)據(jù)，并且此過程中觸發(fā)信號是被抑制的。

圖4 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS830的連接電路

2.2.2 頻率測量模塊

采用周期同步測頻法對觸發(fā)信號進行測頻，根據(jù)測得頻率選擇對應的采樣率。在被測信號邊沿到來時同時對被測信號和基準信號進行計數(shù)，計數(shù)閘門時間1 s，當基準信號計數(shù)完成時停止對被測信號計數(shù)，將對被測信號的計數(shù)結果除以計數(shù)的時間即可得到實際頻率。設計被測信號采用32位計數(shù)器，測頻范圍約為0 ～60 MHz，最小分辨率為5 Hz。

2.2.3 高速數(shù)字時鐘系統(tǒng)

高速數(shù)字時鐘系統(tǒng)采用Quartus中的LMP定制的鎖相環(huán)將晶振信號倍頻，送至時基產(chǎn)生模塊產(chǎn)生同步的A/D采集時鐘與FIFO控制器時鐘。

2.2.4 DDS IP核的實現(xiàn)

數(shù)字直接合成頻率技術(DDS)的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形。DDS IP核實現(xiàn)了波形選擇、頻率和幅度調(diào)節(jié)功能。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件開發(fā)任務是在Nios IDE下完成。主流程圖如圖5所示，軟件主要包括以下工作:

系統(tǒng)初始化。對液晶屏復位并繪出顯示框架、初始化函數(shù)信號發(fā)生器的輸出、對FPGA進行復位等。

按鍵處理。當FPGA響應鍵盤產(chǎn)生的中斷后讀取按鍵值，判斷并對按鍵產(chǎn)生響應，在運行示波器功能時，通過按鍵實現(xiàn)采樣參數(shù)的改變、顯示參數(shù)的改變等;在運行函數(shù)信號發(fā)生器功能時，通過按鍵設置函數(shù)信號發(fā)生器參數(shù)的改變。

采樣參數(shù)設置。包括通過控制繼電器改變輸入信號耦合方式、控制產(chǎn)生數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的增益電壓等。

顯示參數(shù)設置。顯示參數(shù)包括波形的水平、垂直移動、測量得到的頻率、幅度和周期等。

函數(shù)信號發(fā)生器參數(shù)的設置。包括幅度、頻率設置以及波形的切換。

圖5 系統(tǒng)軟件主流程圖

4 實驗和驗證

測試用的儀器為TDS2012示波器及TFG6050 DDS函數(shù)信號發(fā)生器。將TFG6050輸出的信號連至TDS2012與待測數(shù)字示波器上，逐個觀察三者頻率與幅度。如此改變TFG6050輸出信號的頻率與幅度進行數(shù)字示波器功能及指標測試。測得FPGA數(shù)字示波器的性能指標如下，垂直分辨率為8 bit，垂直靈敏度范圍為20 mV/div～1 V/div，最大實時采樣率為60 Msample/s，可測頻率范圍為200 Hz～6 MHz，掃描速度范圍為100 ns/div～0.1 s/div，輸入阻抗為1 MΩ，波形顯示結果良好。

將待測函數(shù)信號發(fā)生器的輸出接至TDS2012，觀測波形及其頻度、幅度?？梢詼y得函數(shù)信號發(fā)生器性能，頻率范圍為1 Hz～10 MHz，幅度范圍0.1 ～9 Vpp，可以產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波和三角波。

5 結束語

經(jīng)過測試結果表明，設計中示波器和函數(shù)信號發(fā)生器均可較好完成測試工作，充分發(fā)揮了FPGA并行執(zhí)行的特點，實現(xiàn)數(shù)字示波器和函數(shù)信號發(fā)生器的功能，充分顯示了FPGA在儀表控制方面的優(yōu)勢。

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