УДК 004.357

РАЗРАБОТКА ОСЦИЛЛОГРАФА НА БАЗЕ ОТЛАДОЧНОГО FPGA -

КОМПЛЕКСА

Шигимагин А.В., Зинченко Ю.Е.

Донецкий национальный технический университет

Осциллограф (лат. oscillo — качаюсь и graph - пишу) — прибор,

предназначенный для исследования электрических сигналов во временной области

путем визуального наблюдения графика сигнала на экране, а также для измерения

амплитудных и временных параметров сигнала по форме графика.

Применение современных цифровых технологий привело к серьезному

изменению характеристик и возможностей этих приборов. Но и традиционные

аналоговые осциллографы реального времени не исчезли с рынка — их парк по-

прежнему растет. Во-первых, они прочно занимают нишу простых недорогих

осциллографов. Во-вторых, они пока еще незаменимы при исследовании

высокочастотных сигналов.

Наряду с аналоговыми осциллографами широко используются и цифровые. Если

бы не ограничения вследствие конечного времени оцифровки сигнала и сравнительно

высокая стоимость, они могли бы почти полностью вытеснить своих аналоговых

собратьев. Полная оцифровка сигнала позволяет избежать отображения сигнала в

реальном масштабе времени и, следовательно, повысить устойчивость изображения,

организовать сохранение результатов и запись редких или медленных процессов

(аналог запоминающего осциллографа), упростить масштабирование и растяжку,

ввести метки.

Использование дисплея вместо осциллографической трубки открывает

возможность для отображения любой дополнительной информации и управления

прибором с помощью меню.

Общая структурная схема измерительного устройства на основе

микроконтроллера и ЭВМ показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема измерительного устройства

Основным элементом, определяющим прецизионность всего измерительного

устройства является аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Но если входная

цепь (ВЦ) и фильтр низких частот (ФНЧ) не ослабляют шумы вне полосы пропускания

сигнала, то эффекта от высокой точности АЦП не будет.

Входная цепь является развязывающим устройством источника сигнала и АЦП.

Она должна иметь большое входное сопротивление, обеспечивать подавление

синфазного сигнала шума (сигнала общей помехи).

ФНЧ устраняет эффект наложения спектров и нежелательные сигналы вне

полосы пропускания фильтра. Этот фильтр работает с еще аналоговым сигналом,

соответственно сам фильтр является аналоговым.

АЦП в этой системе входит в состав микроконтроллера (разработка

производится на базе отладочной паты Spartan 3E). Соответственно частота

дискретизации и режим работы устанавливается программой, загруженной в

;

микроконтроллер. Программное обеспечение микропроцессора обеспечивает работу

протокола обмена данными с ЭВМ, протокол отвечает за отправку полученных

отсчетов в ЭВМ и полчения команд от пользовательской программы, установленной на

компьютер. ЭВМ может быть как персональным компьютером (ПК), так и

портативным компьютером ноутбуком. На ЭВМ установлена программа, которая

работает с полученными отсчетами от АЦП, обрабатывает их и представляет

пользователя в удобном для восприятия виде. Таким образом, ЭВМ также играет роль

визуального индикатора.

Применение измерительных систем, взаимодействующих с ЭВМ, дает ряд

преимуществ:

- резко упрощается конструкция прибора, поскольку становятся ненужными

электронно-лучевая трубка, жидкокристаллический дисплей, различные органы

управления, мощный и высоковольтный источник питания и другие;

- уменьшается стоимость прибора;

- реализуется естественная стыковка с ПК, что обеспечивает легкость цифровой

обработки данных;

- появляется возможность легко реализовать цифровые методы обработки

сигналов, например, построение спектра методом быстрого преобразования Фурье или

регистрации сигналов на протяжении длительного промежутка времени с записью

сигнала в память ПК.

Программи.руемая логи.ческая интегра.льная схе.ма (ПЛИС, англ. programmable

logic device, PLD) — электронный компонент, используемый для создания цифровых

интегральных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС

не определяется при изготовлении, а задаётся посредством

программирования (проектирования). Для программирования используются

отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в

виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных

языках Verilog, VHDL. ПЛИС подразделяются на FPGA и CPLD. Рассмотрим

подробнее FPGA т.к. FPGA имеет более гибкую архитектуру.

Программи.руемая по.льзователем ве.нтильная ма.трица (ППВМ, FPGA) —

полупроводниковое устройство, которое может быть конфигурировано производителем

или разработчиком после изготовления; отсюда название: «программируемая

пользователем». ППВМ программируются путём изменения логики

работы принципиальной схемы, например, с помощью исходного кода на языке

проектирования (типа VHDL), на котором можно описать эту логику работы

микросхемы. ППВМ могут быть модифицированы практически в любой момент в

процессе их использования. Они состоят из конфигурируемых логических блоков,

подобных переключателям с множеством входов и одним выходом (логические

вентили или gates).

Среди ведущих производителей ПЛИС следует назвать корпорации Altera,

Xilinx, Atmel, Actel. На сегодняшний день они предлагают спектр FPGA-плат

различной степени сложности, а как следствие, и стоимости, и находят широкое

применение в цифровой обработке сигналов, цифровой видео-аудио аппаратуре,

высокоскоростной передаче данных, криптографии, бортовых устройствах навигации и

многих других сферах.

В качестве базы для реализации проекта осциллографа был выбран

отладочный FPGA-комплекс Spartan 3E, производителем которого является Xilinx. Эта

ПЛИС обладает следующими отличительными свойствами:

- наличие АЦП (ADC, англ. Analog-to-Digital Converter);

- высокая производительность;

- наличие достаточного количества элементов управления;

- наличие большого количества интерфейсов для связи с PC;

- низкая цена.

Общая структура проекта представлена на рисунке 2.

Spartan 3E

АЦП

ФНЧ

Входной сигнал(возможна

генерация с помощью ЭВМ)

ЭВМ

Рисунок 2 – Проектируемая схема осциллографа на базе отладочного комплекса

Spartan 3E

Подобная структура позволяет обеспечить достаточно широкую гибкость в

использовании устройства, простоты реализации, а также относительной дешевизны.

При наличии интерфейса непосредственно на плате возникает возможность

автономного использования устройства без непосредственного подключения к

персональному компьютеру, что позволит найти широкое применение в области

портативной измерительной техники.

Литература

[1] Нарышкин А.К. Цифровые устройства и микропроцессоры, 2008, 320с.