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1、毕 业 设 计学生姓名： 学 号： 专 业： 电子信息工程 题 目： 基于FPGA的数字示波器设计 指导教师： 评阅教师： 2015 年 6 月 毕 业 设 计 中 文 摘 要论文阐述了一个实现低成本数字示波器的完整方案。方案实现的示波器具有20MHz的模拟带宽，由锂电池供电，小型便于携带，利用手机或者PC机显示波形和进行相应的操作。示波器模拟部分采用百兆带宽的AD8066和AD603作为运算放大器，保证模拟通道质量；具有最高60MHz采样频率的ADS830作为方案的模数转换器，将模拟信号数字化；方案使用一片Cyclone系列的FPGA作为作为处理器，完成数字信号的存储、处理和控制逻辑，并通过
2、串口与外界进行通信；CC2540蓝牙芯片可以将串口传来的波形数据通过无线传至手机或是PC机进行波形显示，同时接受用户发来的控制命令交付给处理器，实现远程无线控制。关键词 数字示波器 现场可编程门阵列 蓝牙 模数转换本 科 毕 业 设 计 第 3 页 共 62 页毕 业 设 计 外 文 摘 要Title Design of A Digital Oscilloscope Based on FPGA AbstractThis article describes a complete way of implementing a low-cost digital oscilloscope. The os
3、cilloscope presented here enjoys a bandwidth of 20 mega hertz.while powered by a lithium battery making it easy to carry, the oscilloscope has a special way to print its waveform - to show the waveform on the screen of a cellphone or of a PC and meanwhile through which the user can operate. Two hund
4、red-mega-hertz amplifiers AD8066 and AD603 are used as the analog input of the design to ensure the integrity of the signal. ADS830, a analog-digit converter which owns a sample rate up to 60 mega hertz, is employed to digitize the input signal. The design uses a Cyclone series FPGA to work as the p
5、rocessor, which can store, process the digital data and generate control logic as well as communicate with outside world via UART. There is a Bluetooth, CC2540, on the board, which can transmit the data used to form the waveform on the cellphone or on PC and receive the command from user operation.K
6、ey Words Digital oscilloscope FPGA Bluetooth Analog-digit converter河北科技大学毕业设计成绩评定表姓 名高兆栋学 号110701110成 绩专 业电子信息工程题 目基于FPGA的数字示波器设计指导教师评语及成绩 指导教师： 年 月 日评阅教师评语及成绩 评阅教师： 年 月 日答辩小组评语及成绩答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见 学院答辩委员会主任： 年 月 日 注：该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书（论文）中。目录1 绪论11.1课题研究意义和发展背景11.2 课题的研究目的22 方案整体概括33 方案细节
7、阐述53.1 阻容匹配分压53.2 输入电压保护63.3 模拟开关73.4 运算放大器93.5 电池充电及充电保护部分153.6 电源开关设计183.7 DC-DC变换193.8 指示灯263.9 ADC273.10 FPGA作为系统控制芯片333.11 蓝牙513.12 编程及调试接口534 设计外形和接口分布55结论57致谢58参考文献59附录611 绪论1.1课题研究意义和发展背景不管是海浪、地震、音爆、爆炸、声音通过空气传播、还是人体运动的自然频率，自然界都以正弦波的形式运动。能量、振动粒子及其它看不见的力分散在我们的物理空间中。即使是光线（部分是粒子、部分是波）也有基础频率，可以作为
8、色彩进行观察。传感器可以把这些力转换成电信号，然后可以使用示波器观察和分析这些信号。通过使用示波器，科学家、工程师、教育工作者等等可以“看到”随时间变化的事件。对设计、制造或维修电子设备的任何人来说，示波器都是一种不可或缺的工具。在当前快节奏的世界中，工程师需要最优秀的工具，来迅速准确的解决面临的测量挑战。作为工程师的眼睛，示波器在迎接当前棘手的测量挑战方面至关重要。示波器的用途并不仅限于电子领域。在安装适当的传感器时示波器可以测量各类现象。从物理学到维修技师，每个人都离不开示波器。汽车工程师使用示波器，把来自传感器的模拟数据与来自发动机控制单元的数据关联起来。医学研究人员使用示波器测量脑电波
9、。示波器的用途可以说是无穷无尽的。从第一台商业示波器出现到今天，已有50余年的历史，期间的发展大致可以分为三个阶段。20世纪30到50年代是电子示波器阶段。到1958年示波器的带宽达到了100MHz后便停滞不前。1957年美国休斯飞机制造研制成功了记忆示波器；1959年美国鲁米特龙公司生产出由R.休格曼研制的取样示波器。20世纪60年代是晶体管示波器阶段。由于采用了晶体管器件，示波器的带宽在驻足9年之后终于突破100MHz达到了150MHz，到了1969年又跃至300MHz。同年，取样示波器的带宽达到了18GHz的高峰。20世纪70年代是集成化示波器阶段。集成电路技术为示波器的小型化和向高性能
10、、高可靠发展创造了条件。1971年问世的微处理器，更为示波器的智能化增添了双翅。1971年，示波器的带宽提高到500MHz，1979年达到了1GHz的高峰。1972年，第一台数字存储示波器诞生，它对示波器的发展产生了重大的影响。1973年，同时出现的逻辑状态分析仪和逻辑定时分析仪标志着“示波”测量已经跨入了数字领域。1974年发表了带微处理器的示波器，从此示波器的发展进入了一个崭新阶段。80年代以来，示波器正朝着数字化、智能化方向飞速的发展，示波器面貌日新月异，新产品层出不穷。我国在1949年以前，示波器工业是一片空白，仅有少数厂商做一些进口示波器的维修工作。1950年，我国开始研制示波器，并
11、于1951年初完成了实验样机。当时这台用于观察“生物电信息”的示波器成为我国自己研制的第一台示波器。1951年上海成立新建电议工业社，当时职工仅6人从事示波器和其他电子测量仪器的开发和生产。从1951年开始先后研制生产了103型、105型、113型、125型示波器。1957年，新建电议工作室更名为新建电子仪器厂，1967年又改名为上海无线电二十一厂。示波器的“新建”牌商标一直沿用至今。1.2 课题的研究目的目前，数字示波器市场上的主流产品仍然是国外产品。其中美国TEK公司的示波器一直处于领先地位，被世界公认为示波器的权威。本课题意在制作一款面向学生的低成本，便携式示波器（图1.1）。示波器的带
12、宽不必很宽，耐压不必太高，能够满足学生的需求即可。图1.1 低成本示波器样图2 方案整体概括为了得到可靠的结果，设计采用了如下的方案（图2.1）：图2.1 系统结构图可以由图中看到，两个通道的数据采集是通过电子开关的切换分时进行的：在AD采集一个通道的数据时，FPGA可以有足够的时间进行另一个通道的数据传输，这样两个通道的设计就比较经济。输入的探头和输入级的电阻和电容组成了阻容匹配分压，这样的衰减可以克服输入探头本身的寄生电容造成的信号形变，无失真的将信号传输到后级的运算放大器。设计中使用的运算放大器是结合系统带宽选择的，程序可以控制运放的增益，无论输入信号什么范围，在通过程控运放后都会被转换
13、到1.5V到3.5V，以适合后级AD的输入电压。运放的增益取决于其引脚的电压，FPGA输出的PWM通过一个低通滤波器，产生的可变直流电压可以完成运放的增益控制。方案使用一片8位，60MHz的流水线型的AD转换器，较并行比较型和逐次比较型AD而言，既保留了较高的采样速度，又照顾了设计成本。整个系统的主控芯片FPGA是Altera公司的Cyclone系列，内部有2910个LEs，7488byte的RAM，一个锁相环，支持最高时钟频率275MHz。同时FPGA内部嵌入一个高速FIFO存储器，用于接收和存储来自AD采集来的数据，缓和AD高速采样和处理器处理速度之间的矛盾。另外，波形的触发工作也由FPG
14、A完成，并将处理好的数据通过串行口传至蓝牙或PC机。蓝牙部分采用Bluetooth Low Energy系列的芯片，在保证正常的通信质量的情况下，降低发射系统的功耗。 设计采用一节3.7V的锂电池供电，并通过各种电压变换设备给系统的各个部分提供电源。电池的使用可以使方案做成像手机一样的便携设备，使用户在使用仪器时更加方便。显示波形的方法是将数据通过蓝牙设备传至现有的智能手机或通过串行口传输至PC机。手机或PC机接收到数据后，通过特定的软件，将波形显示在屏幕上。同时，用户可以通过用户图形界面控制幅度和时间档位，将几乎所有的操作全部集成在上位机端，给用户轻松惬意的使用体验。3 方案细节阐述3.1 阻容匹配分压由于表笔使用同轴电缆做传输线，存在较大容抗，需要用阻容匹配分压的方法消除电缆容抗随输入电压频率变化造成的传输系数不恒定的问题。可以证明，如图3.1的电路满足下面的条件时，电路中A、B、C三点的电压比不随输入电压VIN频率的改变而改变：a)电路的阶梯数为偶数；b)R10C9 = R11C10 = R12C11 = R13C12。图3.1 阻容匹配分压电路图本设计中的前端输入衰减部分便采用如上方式，如图3.2所示。图 3.2 阻容匹配分压作为前级
