基于FPGA的数字示波器设计与实现

"本系统设计了一款2007数字示波器181，它基于等效采样原理，利用单片机作为控制核心，并结合FPGA资源，实现了10Hz到10MHz波形的实时采样和输出。系统还具备波形实时存储和连续显示功能，具有频率和峰峰值测量功能，测量误差小于0.1%（频率）和3%（电压）。此外，系统支持最高200MSa/s的等效采样速率。设计中，针对不同频率范围采用了等效时间采样和实时采样两种策略，并选择了内部软件触发方式以提高稳定性。频率测量则采用了等精度测量法。" 本文介绍的是一款基于数字示波器技术的系统设计。首先，系统利用了等效采样原理，允许在保持信号完整性的前提下，对10Hz至10MHz的宽频率范围内的波形进行实时采样和再现。这种采样方法结合了单片机的控制能力和FPGA的高速处理能力，确保了在各种频率下的高效运作。 在采样方式上，设计者考虑了两种策略。方案一是等效时间采样，适用于高频率信号，通过对每个周期采样一个点并精确控制时间延迟来恢复原始信号。方案二是实时采样，适用于较低频率信号，根据奈奎斯特定理，采样速率需高于信号最高频率的两倍。设计中，50KHz以下是实时采样，50KHz以上则采用等效时间采样。 在触发方式的选择上，设计团队摒弃了外部硬件电路触发，因为其受比较器毛刺影响，导致触发不稳定。相反，他们采用了内部软件触发，利用软件设置的施密特触发器，能有效抑制毛刺，提高触发的稳定性和触发电压的可调性。 在频率测量方面，设计采用了等精度测量法。通过在预定的闸门时间内，用两个计数器同时计数被测信号和基准信号，计算两者频率的比例来得到被测信号的频率。这种方法需要选择合适的基准信号频率和闸门时间，以确保测量精度。 总体来说，这款2007数字示波器181通过巧妙的系统设计和优化，兼顾了性能和测量精度，为电子工程师提供了一种强大的波形分析工具。其应用涵盖了从低频到高频的广泛范围，且具有高度灵活性和准确性，对于研发和故障排查工作极具价值。