0 引 言
隨著目前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。電子測試測量儀器作為電子技術(shù)的基礎(chǔ)，其應(yīng)用范圍也越來越廣。在許多領(lǐng)域?qū)@些儀器提出了很高的要求，不僅要有高的測量、傳輸速度，高的精確度、穩(wěn)定性、可靠性等，有的甚至要有一定的智能化，能夠?qū)崿F(xiàn)自動測量、自動控制，還要能夠快速完成一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算與處理，能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的情況，快速開發(fā)出新的功能。傳統(tǒng)的測試測量儀器由于設(shè)計(jì)理念落后、發(fā)展緩慢、功能單一，開發(fā)新功能或新產(chǎn)品的難度大，已經(jīng)無法適應(yīng)各種新的測量情況。而且其價(jià)格昂貴、體積大、不易操作，已經(jīng)無法滿足人們的要求。
虛擬儀器作為傳統(tǒng)測試測量儀器的可能的替代品，從1986年美國國家儀器公司(NI)首先提出其概念至今不過短短二十幾年，但其發(fā)展卻十分迅速。目前已生產(chǎn)數(shù)百個(gè)型號的虛擬儀器產(chǎn)品，其應(yīng)用涉及到電子測量、過程控制、電信、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。我國虛擬儀器研究的起步較晚，最早的研究也是從引進(jìn)消化NI的產(chǎn)品開始，但其發(fā)展也是十分迅速的。我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，加快了企業(yè)的技術(shù)升級步伐，對先進(jìn)儀器設(shè)備的需求更加強(qiáng)勁，虛擬儀器賴以生存的個(gè)人計(jì)算機(jī)最近幾年以極高的速度在中國發(fā)展，這些都為虛擬儀器在我國的普及奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著我國個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及以及性能的不斷提高，這種基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器在我國將會被更加廣泛的應(yīng)用。在我國由于電子技術(shù)水平相對落后，許多高精度、高性能的電子儀器都要進(jìn)口，價(jià)格昂貴，難以被廣泛使用，因而研制這種成本低的高性能的虛擬儀器，是很有必要的，而虛擬儀器也將成為今后電子器件發(fā)展的主流。
1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)概述
本設(shè)計(jì)主要是研制一個(gè)基于USB以及FPGA的虛擬數(shù)字存儲示波器，該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由基于FPGA的數(shù)據(jù)采集電路、基于USB接口總線傳輸控制電路和計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序三個(gè)主要部分組成。其中信號預(yù)處理電路還包括峰值檢測電路、信號觸發(fā)電路。USB接口傳輸電路主要是能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，既要使數(shù)據(jù)采集電路采集到的數(shù)據(jù)能夠傳到計(jì)算機(jī)，也要使計(jì)算機(jī)的控制信息能夠傳到硬件電路，控制數(shù)據(jù)采集工作。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序要能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示，能夠控制硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集等工作。
系統(tǒng)的基本工作原理如下：計(jì)算機(jī)首先通知FPGA開始采集數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA等到信號觸發(fā)時(shí)刻到來時(shí)就開始從A／D轉(zhuǎn)換器中讀取500個(gè)數(shù)據(jù)存儲到FPGA的存儲器中；然后計(jì)算機(jī)就控制從FPGA讀取數(shù)據(jù)，單片機(jī)接到命令后就從FPGA中讀取數(shù)據(jù)和信號的放大衰減倍數(shù)通過USB接口傳送到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)軟件讀取了采集數(shù)據(jù)和信號的放大衰減倍數(shù)就能夠顯示出來了，并且通過控制虛擬界面就能夠?qū)崿F(xiàn)各種各樣的功能。而FPGA通過定時(shí)讀取信號的峰值幅度范圍再決定控制信號的放大衰減倍數(shù)。定時(shí)去重復(fù)以上過程就能夠看到信號的實(shí)時(shí)波形。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集部分的功能就是采集被測信號波形數(shù)據(jù)并把它存人到FPGA中。首先把信號進(jìn)行預(yù)處理，再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后存入FPGA中。數(shù)據(jù)采集部分可以分為以下幾個(gè)模塊：信號調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換、觸發(fā)電路、峰值檢測以及FPGA的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
由于被測信號的種類多種多樣，相應(yīng)的采樣方式也千差萬別。基本采樣方式可分為兩大類：實(shí)時(shí)采樣和等效時(shí)間采樣。考慮到采樣方式的基本原則是：以保證采樣精度為前提，以被測信號的具體特性為依據(jù)，盡量以較低的速率實(shí)現(xiàn)采樣，從而減少數(shù)據(jù)量，降低對傳輸、變換系統(tǒng)的要求，提高數(shù)據(jù)處理的效率。因此選擇實(shí)時(shí)采樣方式。對于實(shí)時(shí)采樣，當(dāng)數(shù)字化一開始，信號波形的第一個(gè)采樣點(diǎn)就被采樣并數(shù)字化，經(jīng)過一個(gè)采樣間隔，再采入第二個(gè)子樣，這樣一直將整個(gè)信號波形數(shù)字化后存入波形示波器。實(shí)時(shí)采樣的優(yōu)點(diǎn)在于信號波形一到就采入，因此適用于任何形式的信號，重復(fù)的或不重復(fù)的，單次的或連續(xù)的。所有的采樣點(diǎn)都是以時(shí)間為順序，因而易于實(shí)現(xiàn)波形顯示功能。本設(shè)計(jì)采用高的采樣頻率來實(shí)現(xiàn)對比較高的頻率信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，采用的A／D轉(zhuǎn)換器是TLC5510，采樣頻率最高可以達(dá)到20 MHz。
