（教育技術學專業(yè)論文）基于vhdl的數字存儲示波器的設計與開發(fā).pdf

山東師范大學碩士學位論文 基于v h d l 的數字存儲示波器的設計與開發(fā) 摘要 隨著集成電路( i c ) 技術的發(fā)展，電子設計自動化( e d a ) 技術逐漸成為模擬與數字集成 電路系統的重要設計手段。電子設計自動化是實現電子系統或電子產品自動化設計的技 術，它與電子技術、微電子技術的發(fā)展密切相關，它吸收了計算機科學領域的大多數最 新研究成果，以高性能計算機作為工作平臺，促進了工程發(fā)展。e d a 技術的發(fā)展始于 7 0 年代，至今經歷了三個階段。電子線路c a d ( 計算機輔助設計) 是e d a 發(fā)展的初級階 段，8 0 年代初期，形成了c a e ( 計算機輔助工程) ，也就是所謂的e d a 技術中級階段， 9 0 年代出現了以自動綜合器和硬件描述語言為基礎，全面支持電子設計自動化的 e s d a ( 電子系統設計自動化1 ，即高級e d a 階段，也就是目前常說的e d a 。使用e d a 技術設計的結果既可以用f p g a c p l d 來實施驗證，也可以直接做成專用集成電路 ( a s i c ) 。e d a 的一個重要特征就是使用硬件描述語言( r i d l ) 來完成設計文件。誕生于 1 9 8 2 年的v h d l 語言是e e 確認的標準硬件描述語言，在電子設計領域已經廣泛應用。 本文首先綜述了e d a 技術和p l d 器件的發(fā)展概況；然后對數字存儲示波器的原理 進行介紹和分析；接著介紹使用f p g a 進行開發(fā)設計的優(yōu)點以及v h d l 語言和 m a x p l u s 軟件的特點，也介紹了本文的設計方案；接下來介紹使用e d a 技術，用v h d l 語言完成了d s o ( 數字存儲示波器) 的底層控制及主要功能部件的設計工作；最后介紹 了e d a 技術的前沿發(fā)展趨勢及系統開發(fā)中的幾點體會。 本文的技術難點在于控制器和用e a b 實現數據存儲的設計，主要體現在對狀態(tài)機的 設計上；通過用狀態(tài)機實現a d c 控制器，可以看出v h d l 語言具有很多的優(yōu)勢和特點。 示波器是電子測量中一種最常用的儀器，它可以用來觀察、測量、記錄各種瞬時物 理現象并顯示其與時間關系的電子儀器。數字存儲示波器的原理是利用a o 轉換把被測 模擬信號變?yōu)閿底中盘?，然后存入存儲器中，需要顯示的時候，將存儲器中存儲的內容 調出，通過相應的d a 轉換恢復為模擬信號顯示。 本文設計的數字存儲示波器是在通用示波器的基礎上進行改造，可以節(jié)約大量的儀 器設備購置資金，對于促進實驗教學質量的提高具有重要的現實意義。 關鍵詞：數字存儲示波器有限狀態(tài)機 v h d lc p l d 分類號：6 4 3 4 山東師范大學碩：仁學位論文 t h ed e s i g na n dd e v e i o p m e n to fd i g i t a s t o r a g eo s c iiio s c o p eb a s e do nv h d l a b s t r a c t t h ee l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ( e d a ) t e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t d e s i g nm e t h o do fa n a l o ga n dd i g i t a lc i r c u i ts y s t e ma st h ei n t e g r a t e dc i r c u i t s g r o w i n g t h ee d at e c h n o l o g y ，w h i c hi sc l o s e l yc o n n e c t e dw i t ht h ee l e c t r o n i c t e c h n o l o g y ， m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rs c ie n c e ，c a nb eu s e di n d e s i g n i n ge l e c t r o n i cp r o d u c ta u t o m a t i c a l l y i tw a sf i r s t l yp u tf o r w a r d e d i n t o s a n dtil ln o wt h e r eh a sb e e nt h r e es t a g e so ft h ee d a t h a tist h ec o m p u t e r a i d e d d e s i g n ( c a d ) o fe l e c t r o n i c c i r c u i t i n 7 0 s ，t h ec o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r i n g ( c a e ) i n8 0 sa n dt h ee l e c t r o n i cs y s t e md e s i g na u t o m a t i o n ( e s d a ) i n 9 0 s t h ee s da ，w h i c hi sc a l l e de d an o w ，i sb a s e do nt h ea u t o m a t i cs y n t h e s i z e r a n dt h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( h d l ) t h ed e s i g nr e s u l to fe d ac a nn o t o n l yb ev e r i f i e db yf p g a c p l db u ta l s ob ei m p l e m e n t e dt h r o u g ht h ea p p li c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ( a s i c ) o n ei m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i co ft h ee d ai s t h a tt h ed e s i g nd o c u m e n t ss h o u l db ec o m p l e t e db yt h eh d l t h ev h d li so n eo f t h es t a n d a r dh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e sv a l i d a t e db yi e e e ，w h i c hw a sf i r s t l y i n t r o d u c e di n1 9 8 2 a n di tw a sw i d e l yu s e db ye l e c t r o n i cd e s i g n e rn o w f i r s t l yp r e s e n tt h et e c h n o l o g yo fe d aa n dt h ed e v e l o p m e n to fp l dd e v i c e s i nt h i st h e s i s t h ee l e m e n t so fe d at h e nw a si n t r o d u c e d a n dt h e ni n t r o d u c e d t h es t r o n g p o i n to ft h ef p g a ，v h d ll a n g u a g ea n dt h es o f t w a r em a x p l u s ，a l s ot h e d e s i g np l a ni si n t r o d u c e d f i n a l l y ，w ei n t r o d u c e dt h ef o r e g r o u n do fe d aa n dt h e e x p e r i e n c ei nd e s i g n t h ek e yp o i n ti nt h i sp a p e ri st h em e t h o dh o wt od e s i g nt h ec o n t r o l l e ra n d t h em e m o r yb a s e do ne d a i t sm a i n l yf o c u so nt h er e a l i z a t i o no fd a t am e m o r y a n dt h em e t h o dt od e s i g nt h ef i n i t es t a t em a c h i n ei nt h ea dc o n t r o lu n i t t h e d e s i g no ft h ec o n t r o l l e ri sb a s e do nm c u + c p l d m c ui 8u s e dt oc o n t r o lt h ew h o l e d s oa n dc p l dc o n t r o lt h eh i g hs p e e dp a r t t h er e l i a b i l i t yo fa dc o n t r o l l e r 出末薅范犬攀顫l 蹲 位論文 d e p e n d so nt h ef i n i t es t a t em a c h i n e o s c i l l o s c o p ei sao f t e nu s e di n s t r u m e n ti ne l e c t r o n i cm e a s u r e m e n t ，i ti sa e l e c t r o n i c i n s t r u m e n t w h i c h c a n o b s e r v e ，m e a s u r e ，r e g i s t e rd i v e r s i f i e d i n s t a n t 8 n e o u sp h y s i c sp h e n o m e n o n sa n ds h o wr e l a t i o nw it ht i m e m a k i n gu s eo f a dc o n v e r s i o nd s oc h a n g e sa n a l o gs i g n a l st od i g i t a ls i g n a l s ，a n dp l a c e si tt o m e m o r _ iz e r ，w h e ni tw i l ld i s p l a y ，w ew i l lt a k eo u tc o n t e n to fm e m o r i z e r ，m a k i n g u s eo fd ac o n v e r s i o nd s oc h a n g e sd i g i t a ls i g n a l st oa n a l o gs i g n a l st o0 j s l a y t h ed e s i g no fd s oi nt h i sp a p e rw i ltb em o s t l yu s e di ne x p e r i m e n ti n s t r u c t i o n ， a n di t i sv e r yi m p o r t a n ti ne x p e r i m e n ti n s t r u c t i o n i ti sr e b u i l do nc u r r e n c y o s e i1 l o s c o p e ，w h i c hm a ys a v em o n e y k e y 霉o r d s ：d s o f s mv h d lc p l d c a t e g o r yn u m b e r ：6 4 3 4 猿剖聲明 本入聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的 研究成果。據我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 ( 注：如 沒有其他需要特別聲明的，本欄可空) 或其他教育機構的學位或證書使用過豹秘 料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明 弗表示謝意。 學位論文作者簽名： 司壺龍 翩簽矽紙 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解堂撞有關保留、使用學位論文的規(guī)定，有權保 留并向國家蠢關幫門絨機構送交論文豹復印傳和磁盤，允許論文被查舞和謹闋。 本人授權j 鹽可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可 班采用影印、續(xù)印或攙攮等復稍手段保存、匯編學誣論文。( 保密瓣學位論文在 解密后適用本授權書) 學位論文作者憝名： 閣蓐厄 簽字日期：2 0 0 年歷月同 一字紙 一 麓字日期：2 0 0 餌幸月2 日 山東師范大學碩士學位論文 第一章前言 本章簡單介紹示波器的發(fā)展現狀、基本原理和特點；e d a 技術的發(fā)展階段。論述d s o ( 數字存儲示波器) 開發(fā)的可行性和必要性。闡述d s o 的功能要求。 示波器在是實驗室中的常用重要儀器，它能把人們無法直接看到的電信號，轉換成 肉眼能直接觀察的波形，顯示在示波管屏幕上，以便對信號進行定性和定量觀察。在教 學中它是幫助學生學習驗證原理和進行實驗研究的重要工具。 、 、 ， ，j 1 1 數字存儲示波器概述 示波器是電子測量中一種最常用的儀器，它是一種可以用來觀察、測量、記錄各種 瞬時物理現象，并以波形方式顯示其與時間關系的電子儀器。示波器直觀的顯示效果有 助于對被測對象的深入理解，所以得到了廣泛的應用，目前人們己將它作為最重要的測 試工具之一。典型的示波器產生一個二維或者三維的波形，輸入端接收的電壓信號顯示 在y 軸方向上，而時間參數則顯示在x 軸方向上。傳統的示波器是模擬的，用c r t 作 為顯示器件。在電子槍內形成電子束，經過加速、聚焦，然后打在熒光屏上，使受撞擊 的點發(fā)出可見光。模擬示波器的缺點是只能觀測周期信號。對于非周期性的單次瞬變 信號的觀測，用模擬示波器觀測是非常困難的，有時甚至是不可能的。為了將各種信號 無失真地顯示并存儲，就必須采用數字技術，這電是數字示波器的基本思想。數字存儲 示波器是伴隨著模一數轉換器( a d c ) 的發(fā)展而趨于實用化的示波器。a d c 把輸入示波器 的電壓瞬時值轉換為對應的數字值，并保存在存儲器中。采集完成后，從數字示波器中 取出這一系列數字，經過適當處理后再現電壓對時間的波形。由于數字存儲示波器與計 算機技術的緊密結合，使其發(fā)展非常迅速，目前已成為示波器市場上的主流產品，并會 逐漸地完全取代模擬示波器。 數字存儲示波器是利用a d 轉換把被測模擬信號變?yōu)閿底中盘?，然后存入存儲?中，需要顯示的時候，將存儲器中存儲的內容調出，通過相應的d a 轉換恢復為模擬 信號顯示。 本文設計的數字存儲示波器主要應用于實驗教學中。在實驗教學中示波器有非常重 要的作用。同時本設計是在通用示波器的基礎上進行改造，這樣可以節(jié)約資源。 山東師范大學碩士學位論文 1 1 1 數字存儲示波器的基本原理與特點 數字存儲示波器，它是用a d 變換器把模擬信號轉換成數字信號，然后存在半導體 存儲器r a m 中，需要時將r a m 中存儲的內容調出，通過相應的d a 變換器，再恢復 成模擬量顯示在示波管上或通過l c d 用點陣或連線的方式再現波形。在這種示波器中 信號處理與信號顯示功能是分開的，它的性能主要取決于進行信號處理的a d 、r a m 和 微處理器的性能。由于采用r a m 存儲器，可以快寫數據慢讀數據，使得即使在觀察緩慢 信號時也不會有閃爍現象。使用數字存儲示波器不僅可以觀測周期性重復信號、超低頻 信號，而且也能夠觀測非周期的單次的或隨機的信號。這是因為數字存儲示波器可以采 用實時采樣，即每隔一個采樣周期取樣一次，所以可以觀測非周期性信號。 與傳統的模擬示波器相比，數字存儲示波器具有許多優(yōu)點，主要表現在： l 、多通道單次信號捕獲：一個d s o 能夠同時在多個通道上捕捉象電源開、關或故 障發(fā)生這樣的單次瞬態(tài)事件。 2 、波形處理：由于d s o 內部使用一個微處理器，它能夠在所獲得的波形上完成幅 度和時間參數以及波形運算等功能，加上選件能夠完成更復雜的數學運算，如積分、倒 數、指數、對數、平均、數字濾波、極值、f f t 等。 3 、數據存儲：d s o 帶有非易失性的波形存儲器，它們能夠提供與d s o 兼容的存儲 卡或軟盤。示波器也能夠容易地與許多繪圖儀和打印機相連來進行高質量的硬拷貝。 4 、更多的觸發(fā)功能：d s o 也能夠提供許多模擬示波器所沒有的觸發(fā)能力。例如： 當故障發(fā)生時，它能夠觸發(fā)并且能夠觀察引起故障觸發(fā)前的過程。 5 、自動測試：數字存儲示波器能夠提供自動測試功能，簡化了使用者的操作，使 儀器具有智能化。 1 1 2 數字存儲示波器的發(fā)展狀況 目前，數字示波器市場上的主流產品仍然是國外產品。其中美國t e k 公司的示波器 一直處于領先地位，被世界公認為示波器的權威。近來t e k 推出的t d s 系列示波器具 有獨特的保證信號高保真度的獲取結構，能夠利用最先進的觸發(fā)系統，提供快速瞬態(tài)信 號或重復信號的多通道獲取，顯示和所有測量的有效修正，先進的波形處理。t d $ 2 0 1 2 示 波器具有i o o m h z 的帶寬，1 g s s 等效采樣率，記錄長度可達2 5 k ，內部采取高保真 山東師范大學碩士學位論文 讀的獲取技術，操作簡單。力科公司在示波器方面世界排行第三，它也推出了各種型號 的示波器，并具有獨自的特點，能夠自動測試3 2 種參數。如：l c 5 3 4 a l c 5 7 4 a 數字示 波器帶寬為1 g h z ，采樣速率4 g s s 。由于該示波器采用了9 6 m h z 的p o w e rp c 6 0 3 e 處 理器、8 6 4 m b y t e 的系統r a m ，i m b y t e 的視頻存儲器、3 2 k b y t e 的高速緩存和智能化 存儲器管理系統，它能快速刷新波形、動態(tài)分配處理器、采集存儲器和運算存儲器的資 源，保證示波器資源的最佳利用。該系列采用9 英寸彩色顯示器，能提供8 個波形的畫 面，可方便、容易觀察信號細節(jié)。8 蹤顯示能與運算功能、放大縮小、參考存儲器或通 道組合，并能在屏幕上顯示或不顯示參數。該示波器在信號分析方面具有較強的處理功 能，可同時完成4 種處理功能：加、減、乘、除、取反、恒等、累加平均值和正弦值。 還有f f t 平均運算和5 個窗功能的頻譜分析功能。 目前國內數字存儲示波器市場上出現的產品最高帶寬為1 0 0 m h z ，像普源精電公司的 d s 3 1 0 2 系列產品就是帶寬為i o o m h z ，等效采樣率為i o g s s 。由于受到高速取樣技術 的限制，國內i o o m h z 帶寬的數字示波器大都采用重復取樣技術。 1 2 數字存儲示波器的主要性能指標 主要技術指標如下： 垂直分辨率：8 b i t s 帶寬：雙通道5 0 k h z 3 擋垂直靈敏度：0 o i v d i v 、0 1v d i v 、1 v d i v 最大輸入電壓：8 v 上升下降時間：3 5 n s 上沖阻尼：5 輸入阻抗：l o o k q 最高采樣率：1 m s a s 最大等效采樣速率1 m s s ，最高水平分辨率l o o u s 存儲深度：5 1 2 b i t s 通道 時基范圍：2 0 u s d i v 一0 2 m s d i v 一0 2 s d i v 主要功能指標有： 雙蹤顯示 山東師范大學碩上學位論文 顯示方式：有內觸發(fā)存儲顯示方式( 單次) 、連續(xù)觸發(fā)存儲顯示方式和水平移動 擴展顯示 存儲回調功能：有菜單選擇存儲區(qū)域將屏幕上顯示的波形或參數存儲起來，菜單 選擇存儲過的波形或參數回調出來 波形以適當的時基和量程顯示在屏幕上 顯示調節(jié)：通過菜單來調節(jié)背光強度及顯示對比度 觸發(fā)特性：有內部，上升沿觸發(fā)，觸發(fā)方式有單次和連續(xù)觸發(fā)，觸發(fā)電平可以調 節(jié) 縱向解析度：8 0 格x3 2 點( 每1 個點為1 個象素) 橫向解析度：1 0 格2 5 點( 每1 個點為1 個象素) 擴展顯示：2 5 6 b i t s x2 1 3 數字存儲示波器開發(fā)的必要性和可行性 本系統的主要設計思想是將被測信號進行數字存儲并由通用示波器將被測信號顯示 出來，通用示波器的作用主要是進行波形顯示而不對其進行操作和調整。實際上就是對 通用示波器進行改造，從而實現數字存儲的功能。改造后的示波器主要用于實驗教學。 這樣既可以實現數字存儲示波器的功能又不會增加太多的資金投入。這對于提高教學實 驗和科研的水平有很大益處。 通用示波器存在很多弊端或限制：首先，通用示波器的造價高；其次，通用示波器 升級困難：第三，通用示波器處理的是模擬信號，模擬信號處理起來很困難；第四，通 用示波器的精度低；第五，通用示波器操作復雜。因此，開發(fā)數字存儲示波器( d i g i t a l s t o r a g eo s c i l l o s c o p e ) 是非常必要的。在d s o 中用h d l 語言編制有關數據處理程序， 對采集的信號進行處理，可以得到許多測量結果，有效的彌補了通用示波器的不足。例 如被測信號的頻潛、功率、隨機誤差等。這是通用( 模擬) 示波器所無法勝任的，也充 分顯示了數字存儲示波器的優(yōu)越性。 1 4e d a 技術的發(fā)展概況 本系統使用e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 技術進行設計和開發(fā)。電子設計 自動化e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 是指利用計算機完成電子系統的設計。 4 山東帥范大學碩士學位論文 e d a 技術是以計算機和微電子技術為先導，匯集了計算機圖形學、拓撲、邏輯學、微電 子工藝與結構學和計算數學等多種計算機應用學科最新成果的先進技術。 e d a 技術以計算機為工具，代替人完成數字系統的邏輯綜合、布局布線和設計仿真 等工作。設計人員只需要完成對系統功能的描述，就可以由計算機軟件進行處理，得到 設計結果，而且修改設計如同修改軟件一樣方便，可以極大地提高設計效率。根據電子 設計技術的發(fā)展特征，e d a 技術發(fā)展大致分為三個階段： 第一階段，c a d 階段( 2 0 世紀6 0 年代中期至2 0 世紀8 0 年代初期) 。這個階段 的特點：m o s 工藝，用一些單獨的工具軟件，主要有p c b ( p r i m e dc i r c u i tb o a r d ) 布線 設計、電路模擬、邏輯模擬及版圖的繪制等，通過計算機的使用，從而將設計人員從大 量煩瑣重復的計算和繪圖工作中解脫出來。例如，目前常用的p r o t e l 早期版本t a n g o ， 以及用于電路模擬的s p i c e 軟件和后來產品化的i c 版圖編輯與設計規(guī)則檢查系統等 軟件，都是這個階段的產品。這個時期的e d a 一般稱為c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 。 第二階段，c a e 階段( 2 0 世紀8 0 年代初期至2 0 世紀9 0 年代初期) ，c m o s 工 藝，p c b 設計方面的原理圖輸入、自動布局布線及p c b 分析，以及邏輯綜合、邏輯仿 真、布爾方程綜合和化簡應用廣泛，硬件描述語言出現；這個階段在集成電路與電子設 計方法學以及設計工具集成化方面取得了許多成果，各種設計工具，如原理圖輸入、編 譯與連接、邏輯模擬、測試碼生成、版圖自動布局以及各種單元庫已齊全。由于采用了 統一數據管理技術，因而能夠將各個工具集成為一個c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 系統。按照設計方法學制定的設計流程，可以實現從設計輸入到版圖輸出的全程設計自 動化。這個階段主要采用基于單元庫的半定制設計方法，采用門陣列和標準單元設計的 各種a s i c 得到了極大的發(fā)展，將集成電路工業(yè)推進到了a s i c 時代。多數系統中集成 了p c b 自動布局布線軟件以及熱特性、噪聲、可靠性等分析軟件，進而可以實現電子 系統設計自動化。 第三階段，e d a 階段( 2 0 世紀9 0 年代以來) ，e d a 技術就是依賴功能強大的計 算機，在e d a 工具軟件平臺上，對以硬件描述語言h d l 為系統邏輯描述手段完成的設 計文件，自動地完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合( 布局布線) ，以及邏 輯優(yōu)化和仿真測試，直至實現既定的電子電路系統功能。 e d a 技術在硬件方面融合了大規(guī)模集成電路制造技術、i c 版圖設計技術、a s i c 測 試和封裝技術、c p l d f p g a 編程下載技術、自動測試技術等；在計算機輔助工程方面 山東師范大學鋇十學位論文 融合了討算機輔助設計( c a d ) 、計算機輔助制造( c a m ) 、計算機輔助測試( c a t ) 、 計算機輔助工程( c a e ) 技術及多種計算機語言的設計概念；在現代電子學方面容納了 電子線路設計理論、數字信號處理技術、數字系統建模和優(yōu)化技術及長線技術理論。 1 5v h d l 硬件描述語言簡介 v h d l 的英文全名是v h s l c ( v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i t ) h a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ，于1 9 8 3 年由美國國防部( d o d ) 發(fā)起創(chuàng)建，由i e e e ( t h ei n s t i t u t eo f e l e c t r i c a l a n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 進一步發(fā)展并在1 9 8 7 年作為“i e e e 標準1 0 7 6 ”發(fā)布。從此， v h d l 成為硬件描述語言的業(yè)界標準之一。自i e e e 公布了v h d l 的標準版( i e e es t d 1 0 7 6 ) 之后，各e d a 公司相繼推出了自己的v h d l 設計環(huán)境，或宣布自己的設計工具支 持v h d l 。此后v h d l 在電子設計領域得到了廣泛的應用，并逐步取代了原有的非標 準硬件描述語言。 v h d l 作為一個規(guī)范和建模語言，隨著v h d l 的標準化，出現了一些支持該語言的 行為仿真器。由于創(chuàng)建v h d l 的最初目標是用于標準文檔的建立和電路功能模擬，其基 本想法是在高層次上描述系統和元件的行為。但到了2 0 世紀9 0 年代，人們發(fā)現，v h d l 不僅可以作為系統模擬的工具，而且可以作為電路系統的設計工具：可以利用軟件工具 將v h d l 源碼自動地轉化為文本方式表達的基本邏輯元件連接圖，即網表文件。這種設 計顯然對于電路自動設計是一個極大的推進。很快，電子設計領域出現了第一個軟件設 計工具，即v h d l 邏輯綜合器，它把標準v h d l 的部分語句轉化為具體電路實現的網 表文件。 1 9 9 3 年，i e e e 對v h d l 進行了修訂，從更高的抽象層次和系統描述能力上擴展了 v h d l 的內容，公布了新版本的v h d l ，即i e e e 標準的1 0 7 6 1 9 9 3 版本?，F在，v h d l 和v e r i l o g 作為i e e e 的工業(yè)標準硬件描述語言，得到眾多e d a 公司的支持，在電子工 程領域，已成為事實i 二的通用硬件描述語言。 v h d l 語言具有很強的電路描述和建模能力，能從多個層次對數字系統進行建模和 描述，從而大大簡化了硬件設計任務，提高了設計效率和可靠性。 v h d l 具有與具體硬件電路無關和與設計平臺無關的特性，并且具有良好的電路行 為描述和系統描述的能力，并在語言易讀性和層次結構化設計方面表現了強大的生命力 和應用潛力。因此，v h d l 在支持各種模式的設計方法、自頂向下與自底向上或混合方 山東師范大學碩：e 學位論文 法方面，在面對當今許多電子產品生命周期的縮短，需要多次重新設計己溶入最新技術， 改變工藝等方面都表現了良好的適應性。用v h d l 進行電子系統設計的一個很大的優(yōu)點 是設計者可以專心致力于其功能的實現，而不需要對不影響功能的與工藝有關的因素花 費過多的時間和精力。 1 6 本論文設計的任務 數字系統設計是本系統的主要組成部分，而數據存儲系統和控制器設計是其中的核 心環(huán)節(jié)。本系統的設計是基于c p l d 結構上的，利用c p l d 靈活的可再編程的特點完成數 據的采集、存儲；m c u 作為d s 0 的整體控制部分，管理整個儀器。 山東師范大學碩十學位論文 第二章d s o 的總體設計 本章主要對d s o 的外部特性進行分析，闡述d s o 的主要功能以及輸入量和輸出量( d s o 的行為描述和設計) ；闡述實現d s o 功能的基本原理、基本框圖( d s o 的結構描述和設計) ； 確定d s o 中子系統所使用的關鍵模塊、關鍵器件。 2 1i ) s o 的組成框圖 本部分主要是描述d s o 系統的主要功能以及輸入和輸出；這些輸入輸出物理量類型、 特征和相互之間的關系：這些輸入輸出的來源和負載及對系統的信號源和負載的要求。 d s o 的系統級框圖如圖2 一l 所示。 削2 1d s o 的系統疑框圈 本論文所設計的數字存儲示波器的觸發(fā)方式為內觸發(fā)存儲顯示方式( 單次) 和連續(xù)觸發(fā) 存儲顯示方式及水平擴展顯示( 擴展l 倍，即存儲深度增加i 倍) ，在信號上升沿產生 觸發(fā)，觸發(fā)電平可以調節(jié)；要求浚數字示波器具有3 擋掃描速度：0 2 s d i v 、0 2 m s d i v 、 2 0 u s d i v 和3 擋垂直靈敏度：0 o l v d i v 、0 i v d i v 、i v d i v 。 數字存儲示波器的組成框圖如圖2 2 所示。 利囂產n 硎矗。 觸發(fā) 電路 圖2 2 組成框圖 到諜 x 通 用 不 波 器 懈王拄i 山東師范大學碩士學位論文 從圖中看輸入為被測信號a 和b ；輸出為x 、y 信號分別作用于通用示波器的x 、y 輸入端。該系統的特點是顯示部分借用通用示波器的顯示系統，在具體使用的時候不對 通用示波器作調整。 2 2d s 0 技術指標的分配 l 、信號通道誤差分配 本設計要求整個信號通道的誤差小于5 ，信號通道即d s o 的y 通道。y 通道包括 信號調理電路、a d 、r a m 、d a 及y 輸出電路，并假設通用示波器不引入測量誤差。 這里認為在讀寫r a m 時不產生數碼誤差，因為本設計中的采樣速率比常用r a m 的讀 寫速率低。這樣，誤差只產生于信號的前向通道( 包括信號調理電路和a d ) 和后向通 道( 包括d a 及y 輸出電路) 。初步分配為：前向通道誤差小于2 5 ，后向通道誤差小 于2 ，則信號通道總誤差的設計目標定為4 5 ( = 2 ，5 + 2 ) 。 2 、時基誤差分配 本設計要求掃描的誤差小于5 。在數字存儲示波器中，掃描速度的誤差主要取決 于定時信號準確程度( 它影響采樣速率的準確程度) 以及掃描電壓的準確程度。定時信 號產生于晶體振蕩器，目前能達到的穩(wěn)定度為1 0 一，其誤差和本設計所要求的5 誤差 相比，可以忽略不計：本設計中d s o 控制器和a d c 0 8 0 9 控制器中采樣速率是時鐘信號 經過c p l d 分頻得到的，其誤差在n s 量級，而本設計最高采樣速率1 m h z ，為1 1 $ 量級， 可以不考慮其誤差影響；此外，掃描電壓由d a x 和輸出電路產生，即使d a 為理想線 性器件，也要存在1 l s b 量化誤差。假設選用的d a x 為8 位，量化誤差為1 2 8 一o 4 ， 此外，輸出電路由于增益的非線性也要使掃描電壓產生誤差，通常估計掃描電壓的誤差 小于2 。 2 3 采樣方式的選擇 在現代數字存儲示波器中，通常有兩種采樣方式：實時采樣和等效時間采樣。實時 采樣就是在信號存在期間對其采樣。按照采樣定理，采樣速率必須高于信號中最高頻率 分量的2 倍；對于周期正弦信號，一個周期內應該有兩個采樣點。如果考慮實際因素的 影響，為了不失真地恢復被測信號，通常按照所采用的恢復選取相應的采樣點數。這里 用采樣點直接恢復方式，為此一個信號周期內就需要采樣2 0 個采樣點數。如圖2 - 3 所 山東師范大學碩十學位論文 示( 為了簡明起見，圖中一個周期僅畫了4 個采樣點) 。 o t 丫l1 2 34 - - 一毓 。測”號4 矗雛周期8 ” x 被測情母c 周期性的) 。年二鍾立三p 么二卜一 囤2 3 女日* # 年口_ w i 豫b b 由于采樣器件工作速率的限制，實際上在信號的頻率很高時就很難實現實時采樣， 尚且采樣速率愈高采樣器( 主要是a d ) 的價格愈貴。但是，對于周期性信號可以采用 等效時間采樣方法。等效時間采樣又分為順序采樣和隨機采樣兩種方法。順序采樣是對 每一個信號周期僅采樣一點，經過若干個信號周期后就可以對信號的各個部分采樣一 遍。而這些樣點可以借助步進延遲方法均勻的分布于信號波形的不同位置。所謂步進延 遲是每一次采樣比上一次樣點的位置延遲t 時間，如圖2 - 3 ( b ) 。有時對于很高頻率的 被測信號，可以借助分頻的方法每隔1 0 、1 0 0 甚至更多的信號周期采樣一個點，但是樣 點之問的步進延遲總是必要的。以如此方法采樣仍然可以恢復原信號波形。此外，還有 一種隨機采樣方式。通常將等效時問采樣又稱為非實時采樣。 采樣方式的比較和選擇。等效時間采樣雖然可以對很高頻率的信號進行采樣，但是 步進延遲的采樣技術是較難實現的。再者，對于單次信號測量，非實時采樣是無能為力 的；另外，在最高信號頻率為5 0 k h z ，為使該頻率下每個周期內有2 0 個采樣點，就要求 最高采樣速率為1 m h z ，在目前市場條件下滿足1 m h z 采樣速率的a d 無論技術條件還是 價格都不是困難的。因此，在本設計中選用實時采樣方式。 2 4 控制器方案的選擇 本設計的d s o 應該在滿足觸發(fā)條件時能啟動示波器對被測信號進行采集、存儲、顯 示；為了實現d s o 的功能，控制器應該滿足以下要求： ( 1 ) 設計的儀器應該在滿足觸發(fā)條件時能啟動對被測信號進jj - 采集、存儲和顯示； ( 2 ) 根據被測信號的頻率范圍確定相應的采樣速率，例如當信號頻率為5 0 k h z 時 采樣速率為l l v i h z ：信號頻率為5 k h z 時采樣速率為1 0 0 9 j - i z ，實際上就是根據不同掃 描速率的要求確定相應的采樣速率； ( 3 ) 在對存儲的信號進行顯示時，可以選擇一個合適的速率將存儲的信號數據讀 山東師范大學碩士學位論文 出并恢復為模擬量作為通用示波器的y 通道輸入信號( 例如，按1 0 l o o k q ，因此可以認為r 。r ，按照要 求取r = i o o k6 0 。 輸入噪聲電壓：已知l f 3 5 3 的技術指標為1 6 p v 見，而簡易d s o 的帶寬要求為d c 5 0 k l l z ，因此等效輸入噪聲電壓為( 1 6 p v 恧) 5 0 1 0 3 h z i b p v x2 2 4 1 0 2 3 6 x1 0 2 p v = 3 6 n v 。 設計中要求最高靈敏度0 o i v d i v ，按o s o 的垂直分辨率為3 2 級d i v 考慮，此h 寸測 量電壓的分辨力為0 0 1 v 3 2 = 3 1 2 u v 。因為3 6 n v 0 1 h ，跳到l 1 l 1 ：c j n ea ，# 0 2 h ，o p o：若( a ) = 0 1 h ，轉到o p o o p o ：m o vp o ，a ；設置掃速 m o v a ，# 0 8 f h：啟動鎖存器a m o vp 1 ，a ：c o n t r o l 1 0 = 0 0 t l m o va ，* $ o f f h ：撤掉鎖存器控制信號 m o vp 1 ，a 4 、換擋鍵功能 上下鍵是換擋鍵，用來配合單次連續(xù)、單蹤雙蹤、擴展常態(tài)和啟動停止鍵。 當換擋鍵按下時，執(zhí)行上擋功能；換擋鍵沒有按下時，執(zhí)行下擋功能。 o p r 2 ：m o v 3 7 h ，# 0 1 h ：設連續(xù)標志為0 1 h l c a l ld e l a y ；延時等待上下鍵狀態(tài) c j n e r o ，：f * 0 7 h ，o p 4 ；判斷一e 下鍵是否按下 j c l 4 o p 4 ：m o v3 7 h ，# o o h ；設單次標志為o o h l 4 ：m o v a ，3 7 h；標志送給a c j n ea ，= | * o o h ，o p 5；( a ) = o o h ，轉到o p 5 j n co p 6；( a ) o o h ，轉到o p 6 o p 5 ：s e t be x l ；i n t l 開中斷 s e t be a c l re x l ；i n t l 關中斷，即使有觸發(fā)信號 ；也不產生觸發(fā)作用 4 5 山東師范大學碩士學位論文 c l rp 1 7 s e t be x i s e t be a c l re x l ；數據不再更新 ：連續(xù)觸發(fā)設置 ：i n t l 開中斷 觸發(fā)信號產生就采集、存儲、顯示 一個頁面數據，未存滿一個頁面 i n t l 關中斷，即使有觸發(fā)信號 也不產生觸發(fā)作用 p 1 6 = 0 ，即存滿一個頁面，跳轉到 o p 6 ，開始一個新頁而的觸發(fā)、采集 存儲 4 4c p l d 部分 控制器的c p l d 部分包括六部分：m c u 和c p l d 數據總線接口、時鐘產生電路、數據 存儲器、c p l d 內部及前向通道控制信號產生模塊、鍵盤掃描電路和a d c 控制器。其中時 鐘產生電路、鍵艋掃描電路、a d c 控制器和數據存儲器及該模塊中的多路選擇器用文本 方式實現；m c u 和c p l d 數據總線接口和c p l d 內部及前向通道控制信號產生模塊用圖形 方法實現。如圖4 5 所示。下面分別介紹這六部分實現。 山東師范大學碩士學位論文 4 4 1 時鐘產生電路 時鐘產生電路的功能是通過分頻輸出不同頻率的信號作為其它模塊的時鐘信號。本 設計中輸入頻率為5 0 m h z ，在控制信號的作用下分別輸出頻率為1 m h z 、i o o k h z 和l o o h z 的信號；還要一直輸出頻率為l o o h z 的信號。因此v h d l 代碼包括兩個進程，一個進程 用于實現選擇輸出，另一個進程固定輸出。 l i b r a r yi e e e ： u s ei e e e s t dl o g i ci1 6 4 a l l ： e n t i t yf r e q d e vi s p o r t ( s e l a ：i ns t dl o g i c ： s e l b ：i ns t dl o g i c ： c l k i n ：i ns t dl o g i c ： c l k o u t ：o u ts t dl o g i c ： c l k l o o h z ：o u ts t dl o g i c ) ： e n df r e q d e v ： a r c h i t e c t u r eb e h a vo ff r e q d e vi s s i g n a ls e l ：s t dl o g i cv e c t o r ( 0t o1 ) ： s i g n a lc l k ，c l k l ：s t dl o g i c ： c o n s t a n tn ：i n t e g e r ：= 2 4 9 9 9 9 ： s i g n a lc o u n t e r ：i n t e g e rr a n g e0t on ： s i g n a lc o u n t e ri ：i n t e g e rr a n g e0t on ： b e g i n p r o c e s s ( s e l a ，s e l b ，c l k jn ) 一在控制信號作用下分別輸出頻率 b e g i n 一為i m h z 、l o o k h z 和1 0 0 h z 的信號 i fr i s i n g e d g e ( c l k i n ) t h e n 一的進程 c a s es e li s w h e n ”0 0 ”= i fc o u n t e r = 2 4t h e nc o u n t e r = o ： c i k ( = n o tc l k ：e l s e c o u n t e r = c o u n t e r 十1 ：e n di f ：c l k o u t i fc o u n t e r = 2 4 9t h e nc o u n t e r = o ： c l k = n o tc l k ：e l s e c o