基于FPGA的李沙育圖形在手持式示波表中實(shí)現(xiàn)

　　1.引言

　　示波器測(cè)量頻率和相位的方法很多， “李沙育圖形法”就是其中用得最多的一種?！袄钌秤龍D形法”又稱波形合成法，就是將被測(cè)頻率的信號(hào)和頻率已知的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)分別加至示波器的Y軸輸入端和x軸輸入端，在示波器顯示屏上將出現(xiàn)一個(gè)合成圖形，這個(gè)圖形就是李沙育圖形。李沙育圖形隨兩個(gè)輸入信號(hào)的頻率、相位、幅度不同，所呈現(xiàn)的波形也不同。

　　早期的模擬示波器顯示李沙育圖形的原理是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，核心部分是陰極射線示波管(CRT)。將輸入信號(hào)加到示波管內(nèi)部的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，高速電子經(jīng)聚焦、加速和偏轉(zhuǎn)后，打到熒光屏上形成亮點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)李沙育圖形。李沙育圖形在數(shù)字示波器上顯示與在模擬示波器上顯示完全不同，輸入的兩路信號(hào)，經(jīng)采樣后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，利用CPU做一次算法，通過(guò)運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)映射到液晶屏上后形成了對(duì)應(yīng)的李沙育圖形，此種顯示方法也能達(dá)到模擬示波器的效果。

　　該設(shè)計(jì)應(yīng)用于手持式數(shù)字示波表，主要部分由高速ADC、FPGA、ARM 7和TFT_LCD組成，由于成本原因，選用低速處理器ARM7，其主頻低于50MHz，如果采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法，達(dá)不到模擬示波器相同的顯示效果。利用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)李沙育圖形是該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

　　2.FPGA設(shè)計(jì)原理

　　由FPGA完成李沙育圖形，核心在于利用FPGA的內(nèi)部數(shù)字邏輯單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算與存儲(chǔ)。該系統(tǒng)主要由高速數(shù)據(jù)采集模塊、可編程邏輯器件FPGA、微處理器和液晶顯示模塊等四部分組成，其中顯示模塊由液晶屏和一塊低成本的CPLD組成。當(dāng)兩路信號(hào)分別接至A、B通道的輸入端，經(jīng)衰減、放大后輸入到數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行采樣。由ADC采樣回來(lái)的信號(hào)直接送到FPGA，此時(shí)數(shù)據(jù)并不是馬上存儲(chǔ)到FPGA的內(nèi)部RAM模塊里面，而是先做一次算法處理，此算法的功能就是利應(yīng)兩路信號(hào)的數(shù)值大小，計(jì)算出在液晶屏上的對(duì)應(yīng)的被點(diǎn)亮的像素點(diǎn)的位置，而屏幕上不同的位置又對(duì)應(yīng)不同的地址，此地址作為FPGA內(nèi)部RAM的地址，用來(lái)存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)是否點(diǎn)亮的信息，因此實(shí)際上RAM內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)就是一幅李沙育圖形。此數(shù)據(jù)為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，都由邏輯信號(hào)0、1組成，0對(duì)應(yīng)該像素點(diǎn)不被點(diǎn)亮，1則表示點(diǎn)亮。ARM讀取這些數(shù)據(jù)時(shí)，RAM屏蔽寫(xiě)使能，只有當(dāng)ARM把所有的數(shù)據(jù)讀完后，RAM才被重新寫(xiě)使能。可以看到，在ARM讀取數(shù)據(jù)的期間，從A、B兩通道輸進(jìn)來(lái)的信號(hào)仍然在往FPGA里面?zhèn)魉停瑸榱吮ＷC數(shù)據(jù)不丟失，該設(shè)計(jì)采用了兩塊大小相同的RAM的乒乓工作模式，即ARM在讀取RAM1的數(shù)據(jù)時(shí)，RAM2用來(lái)存儲(chǔ)輸入進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)，當(dāng)讀完RAM1的數(shù)據(jù)后，ARM轉(zhuǎn)到讀RAM2的數(shù)據(jù)，而由RAM1來(lái)存儲(chǔ)輸入進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)。

　　3.李沙育圖形在FPGA內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 FPGA內(nèi)部算法

　　為了將純粹的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的李沙育圖形，必須從李沙育圖形的形成原理來(lái)做分析。

　　李沙育圖形上的每一個(gè)點(diǎn)都可以下面兩個(gè)公式來(lái)表示：

　　x=A lsin(ω1t+ψ1) (1)

　　Y=A 2sin(ω2t+ψ2) (2)

　　由上式可知，李沙育圖形實(shí)際上是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)同時(shí)在x軸和Y軸上振動(dòng)形成的，其初始相差值△ψ=ψ2一ψ1，頻率比為ω2/ω1。為了在屏幕上達(dá)到顯示的效果，把實(shí)際李沙育圖形顯示區(qū)域(256*200)等分為四個(gè)象限，水平中心線為X軸，垂直中心線為Y軸。當(dāng)A、B兩通道同時(shí)輸入進(jìn)來(lái)信號(hào)以后，把A通道的數(shù)值按由小到大的順序，從左向右排列，B通道的信號(hào)則同理從下向上排列，同時(shí)進(jìn)來(lái)的一組信號(hào)共同決定了它們所對(duì)應(yīng)的在屏幕上顯示的位置，而位置對(duì)應(yīng)了FPGA內(nèi)部RAM的地址。其算法可由下面兩個(gè)公式實(shí)現(xiàn)：

　　ADD=Y