基于FPGA的简易示波器设计

【摘要】本设计主要介绍了以Altera公司的CycloneII EP2C8Q208为核心的，采用Labview显示的简易示波器设计。该设计以高速采集的FPGA为核心去采集外面输入信号，能够实现量程和采样频率的自动调整，数据缓存和与计算机之间的通信并通过Labview的界面显示波形。

【关键词】FPGA;高速采集;Labview

引言

随着数字化的高速发展和信号频率的越来越高，越来越多的测试仪器需要高速采集输入的信号。而FPGA的出现正好满足了这种需求，并且能广泛应用于各类集成数字示波器中。但现状是由于这些专用于采集高速信号的示波器价格昂贵且显示屏幕小，因而对于普通院校和小公司是很难承担的。因此本文提出基于FPGA的简易示波器设计，其优点在于成本低廉、利用计算机的图形显示界面显示波形。

1.系统设计

本设计主要由ADC采集模块，ADC驱动模块，FIFO模块，UART驱动模块和PC端labview显示模块构成，实现简易示波器设计。系统框图如图1所示：

图1 系统框图

1.1 ADC采集模块

ADC采集模块主要采用ADI公司的高速并行ADC9280作为本设计的采集芯片。该芯片属于8位并行A＼D，最高采样速度为32MHZ的模数转换器。其内部集成了采样保持放大器和电源基准源，使用多级差分流水线架构保证了32MSPS数据转换数率下全温度范围内无失码，单电源供电，因此此芯片只能采集正电压，而输入信号是正负电压，因此在采集之前加入了前级处理，使用运放AD8065将双电压变为单电压。

1.2 ADC驱动模块

ADC9280采集的速度是由一根时钟线控制，因此只需要驱动这一根时钟线就可以控制采样频率，并且FPGA对于时钟的控制是很精确的，可以简单方便精确的实现时钟频率的要求。

1.3 FIFO模块

FIFO即先入先出队列，是一种没有外部读写地址线的缓冲器，因此使用较为方便简单，只需要控制写控制线和读控制线就能读写数据。但缺点就是只能顺序写入数据，顺序的读出数据，其数据地址由内部读写指针自动加1完成，不能像普通存储器那样可以由地址线决定读取或写入某个指定的地址。在FPGA里，可以使用内部嵌入RAM存储器M4K来构建FIFO，也可以基于FPGA的寄存器用硬件描述语言描述一个FIFO电路。本设计正是采用FPGA内部嵌入RAM存储器M4K，通过Quartus II软件工具就可以构建以M4K为基础的FIFO，这样方便快捷的利用了FPGA内部资源。由于ADC采集数据为8位，最高采样频率为32MHZ，因此构建的FIFO数据宽度为8位，数据深度为65536。

1.4 UART驱动模块

UART即通用串行数据总线，是一种将数据由并行转串口发送通信，通常用于异步通讯接口。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。本设计通过用Verilog语言编写UART驱动模块，驱动RS232发送数据到PC机，实现与PC机的通信。

2.软件设计

2.1 FPGA硬件设计

FPGA是现场可编程门阵列，属于硬件，因此需要使用硬件描述语言来完成电路设计。通用的硬件描述语言是VHDL和Verilog语言，VHDL语言对于书写语法较严谨，层次结构清晰，Verilog语言类似C语言，上手容易、灵活。本设计使用的是Verilog语言进行描述。程序框图如图2所示。

图2 程序框图

2.2 labview软件设计

Labview是由美国国家仪器（NI）公司研制开发、类似于C和BASIC的一种程序开发环境，使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式，通过它，我们可以设计自己的UI，运行硬件或软件来收集数据。

本设计通过在Labview软件上安装USB驱动，使用 NI-VISA模块 的读写功能采集FPGA发送的数据，然后把采集到的数据通过滤波器模块再送到存储模块中保存，最后通过文件读取模块将数据转换为波形显示在labview的显示界面上。市面上的示波器之所以昂贵就是因为带有存储功能的波形分析仪器成本比较高。因此本设计的提出充分利用了PC机的硬盘空间，既没有昂贵的成本也没有繁琐的操作过程。存储后的数据也可以很方便的直接读取或是移动，完全解决了传统仪器数据转移和复制的不便，体现了虚拟仪器的优势，肯定了本设计的重要性。

3.结束语

本设计以FPGA为核心，采用建模的思想构建各个模块，上位机使用labview显示波形。利用运放对前期信号进行处理，使ADC能够将输入的高速信号采集并传给FPGA，在FPGA内部进行一些简单处理后，使用UART串口发送到上位机labview，并最终显示在PC机的屏幕上。实现了一个简易的示波器。体现了价格低廉和可视化的优点，具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]行韶，段衍东，禹林焓.基于FPGA的VGA显示简易数字示波器设计[J].电子测量技术，2012，10.

[2]雷贵，胡福云.基于FPGA的虚拟简易数字存储示波器设计[J].现代商贸工业，2011.

[3]毕可仁.基于FPGA的虚拟示波器设计[J].煤炭技术，2008，12.

[4]康华光.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2008，4.

[5]阎石.数字电子技术基础[M].高等教育出版社，2007.