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類型分類:
科普知識
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IC連接器

基于FPGA的示波器圖文顯示

發布日期:2022-10-09 點擊率:103

   0 引言

  FPGA(Field Programmable Gate Array),即現場可編程門陣列是大規模可編程邏輯器件,可以取代現行所有的全部微機接口芯片,實現微機系統中的存儲、地址譯碼等多種功能。利用 FPGA可以把多個微機系統的功能電路集成在一塊芯片上。應用FPGA設計功能電路時,可以讓人們的思路從傳統的以單片機或DSP芯片為核心的系統集成型轉向單一專用芯片型設計。傳統的示波器雖然功能齊全,但是體積大、重量重、成本高、等一系列問題使應用受到了限制。有鑒于此,便攜式數字存儲采集器就應運而生,它采用了LCD顯示、高速A/D采集與轉換、ASIC芯片等新技術,具有很強的實用性和巨大的市場潛力,也代表了當代電子測量儀器的一種發展趨勢,即向功能多、體積小、重量輕、使用方便的掌上型儀器發展。

1 系統總體設計讀寫

  根據設計要求:在示波器上顯示2個以上字符或圖案,如顯示0-9十個數字及英文字符、圖象等,結合示波器顯示原理,設計電路如圖1所示。將要顯示的數字或符號進行取模,得到其二進制形式表示。將轉換好的數據送入FPGA內部RAM存儲。



  在設計上我們使用了XILINX的SPARTAN-3芯片,作為控制器,完成總的數控部分、鍵盤和和顯示接口部分的控制。采用八位(或者更高位)D/A轉換,對FPGA芯片輸出二進制數字量進行數一模轉換,在經過高速運算放大器后得到其電壓量。分X,Y兩路輸出給示波器,根據示波器原理,在屏幕上打點顯示數字(或者圖形)。而Z通道作為另一路獨立通道,對顯示的數字亮度進行可控顯示。

2 系統硬件設計

2.1 總體控制模塊


  基于本設計,系統控制模塊的部分是具有掩膜可編程門陣列的邏輯器件——FPGA。

  Spartan系列FPGA是Xilinx公司可編程邏輯產品中的高性價比產品的代表,而Spartan-Ⅲ系列FPGA是為那些需要大容量、低價格電子應用的用戶而設計的。本系統使用的是XILINX公司的XC3S200型號芯片,其技術參數如下:

        ●4 320個邏輯單元;

  ●系統門密度200 k個;

  ●CLB陣列24*20,共480個;

  ●最大用戶I/O173,最大差分I/O76;

  ●分布式RAM容量30 Kbit,Block RAM容量216Kbit;

  ●嵌入式18x18乘法器支持高性能DSP應用;

  ●PCI和帶有LVDS的高速差分信號。

2.2 存儲單元模塊

  由于FPGA基于CMOS SRAM工藝,不具備掉電保護功能,當無電源供電時,配置的數據丟失,芯片的功能也隨之丟失。因此,本設計采用FLASH存儲器在線重配置的方法。

2.3 外圍電路模塊

2.3.1 D/A轉換


  在D/A選擇上,我們用的是美國半導體公司的 DAC0832,它具有8位并行、中速(建立時間1 us)、電流型、價格低廉等特點。它有單緩沖工作方式、雙緩沖工作方式兩種工作方式。單緩沖工作方式時,一個寄存器工作于直通狀態,一個工作于受控鎖存器狀態。在不要求多相D/A同時輸出時,可以采用單緩沖方式,此時只需一次寫操作,就開始轉換,可以提高D/A的數據吞吐量。雙緩沖工作方式時,兩個寄存器均工作于受控鎖存器狀態。當要求多個模擬量同時輸出時,可采用雙重緩沖方式。

  它的技術參數為:建立時間1 us;8位并行;低功率損耗20 mW;支持電壓:5 V~15 V。

2.3.2 運算放大

  在D/A轉換之后,我們得到的是電流信號,而需要輸入示波器的為電壓信號,因此運用運算放大器來進行轉換,同時將運放設計為可調形式,通過調節它便可以調節輸出電壓的大小,達到控制顯示幅值的目的。本設計采用LM741系列運放,其技術指標加下:

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